電源模塊中使用的中性點(diǎn)鉗位轉(zhuǎn)換器及包含其的電源模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于將在正、中性和負(fù)輸入端提供的DC輸入電壓轉(zhuǎn)換為要提供 至輸出端的AC輸出電壓的、改進(jìn)的中性點(diǎn)謝位NPC轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明還涉及包含所述改進(jìn)的 NPC轉(zhuǎn)換器的電源模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] DC-AC轉(zhuǎn)換器通常用于不同技術(shù)領(lǐng)域中；例如，在可再生能源領(lǐng)域中。由于技術(shù)進(jìn) 步和不斷發(fā)展的市場(chǎng)，對(duì)非常高效的轉(zhuǎn)換器的需要已經(jīng)變得越來(lái)越重要。具體地，在可再生 能源領(lǐng)域中，例如，太陽(yáng)能設(shè)備需要高效DC-AC轉(zhuǎn)換器來(lái)將可再生能源轉(zhuǎn)換為通常易用的 形式并允許回授到電網(wǎng)中。在該個(gè)方面，期望進(jìn)一步減小DC-AC轉(zhuǎn)換器內(nèi)的傳導(dǎo)損耗和開(kāi) 關(guān)損耗。
[0003] NPC轉(zhuǎn)換器布局（topology)由于它們的干凈和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)W及直接的控制實(shí)現(xiàn) 方式而受歡迎。隨著功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET領(lǐng)域的進(jìn)步，可W在高電壓電源模塊中利用NPC 轉(zhuǎn)換器技術(shù)。在本發(fā)明的上下文中，電源模塊應(yīng)被理解為提供+/-600伏特的AC電壓。在 該個(gè)方面，NPC轉(zhuǎn)換器可能（至少部分地）需要承受1200伏特的DC電壓的額定電壓。
[0004] NPC轉(zhuǎn)換器包括H個(gè)功能上不同的電路。首先，正開(kāi)關(guān)電路向NPC轉(zhuǎn)換器的輸出端 提供在正輸入端提供的正電壓電平。其次，負(fù)開(kāi)關(guān)電路向NPC轉(zhuǎn)換器的輸出端提供在負(fù)輸 入端提供的負(fù)電壓電平。再次，中性開(kāi)關(guān)電路向NPC轉(zhuǎn)換器的輸出端提供在中性電壓輸入 端提供的中性電壓電平。
[0005] 因此，通過(guò)相繼地使能首先是正開(kāi)關(guān)電路、接著是中性開(kāi)關(guān)電路、之后是負(fù)開(kāi)關(guān)電 路、然后是NPC轉(zhuǎn)換器，將H電平AC電壓提供至NPC轉(zhuǎn)換器的輸出。
[0006] 然而，關(guān)于提供無(wú)功功率（reactive power)時(shí)的續(xù)流電流（freewheeling current)的開(kāi)關(guān)效率，傳統(tǒng)的NPC轉(zhuǎn)換器布局是不利的。
[0007] 無(wú)功功率是指電壓和電流異相（即，具有90°的相位差）的狀態(tài)。例如，在NPC轉(zhuǎn) 換器提供無(wú)功功率的情況下，電流相對(duì)于在輸出端的電壓滯后。因此，驅(qū)動(dòng)電流和電壓具有 不同極性（即，電流在相對(duì)于電壓不同的方向上流動(dòng)）。
[0008] 具體地，在無(wú)功功率，續(xù)流電流可能正在反方向上流過(guò)NPC轉(zhuǎn)換器內(nèi)的正或負(fù)開(kāi) 關(guān)電路。因此，NPC轉(zhuǎn)換器的正或負(fù)開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)元件經(jīng)歷反向電流，因此經(jīng)受反向恢復(fù) 損耗。
[0009] 更詳細(xì)地，當(dāng)NPC轉(zhuǎn)換器提供無(wú)功功率時(shí)，正電壓電平流至輸出端，并且續(xù)流電流 可能從輸出端流至正輸入端，即，在反方向上。反向續(xù)流電流使NPC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)元件在前 向方向上的阻斷能力下降。具體地，反向續(xù)流電流將電荷從漏極區(qū)域漏出（化ain)，導(dǎo)致前 向方向上較差的漏極電壓阻斷能力。
[0010] 一般地，將二極管或晶體管的反向恢復(fù)時(shí)間定義為二極管或晶體管在跨過(guò)其的電 壓突然反轉(zhuǎn)時(shí)恢復(fù)至阻斷狀態(tài)所花的時(shí)間。在此反向恢復(fù)期間，暫時(shí)短路可能導(dǎo)致大的反 向電流、W及大的功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的第一目的是通過(guò)減少無(wú)功功率時(shí)的反向恢復(fù)損耗來(lái)提高NPC轉(zhuǎn)換器的 效率。根據(jù)本發(fā)明的第二目的，要在不使電路的傳導(dǎo)損耗（即，靜態(tài)損耗）惡化的情況下改 善NPC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)損耗。
[0012] 所述目的通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的主題解決。有利實(shí)施例限定于從屬權(quán)利要求。
[0013] 在該個(gè)方面，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，建議提供具有均利用非?？斓拈_(kāi)關(guān)元件的 正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路的NPC轉(zhuǎn)換器。然而，相應(yīng)正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中的每個(gè)開(kāi)關(guān)元件的體二極管 與開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)速度相比較慢。在沒(méi)有任何對(duì)策的情況下，在隨后的再激活時(shí)，高反向恢 復(fù)電流將在開(kāi)關(guān)元件內(nèi)流動(dòng)。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的該一方面，提供旁路二極管用于承載續(xù)流電流，W代替正和負(fù)開(kāi)關(guān) 電路的相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件中的體二極管。由此，在正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)元件上避免反向恢復(fù) 電荷。
[0015] 因此，旁路二極管、而非開(kāi)關(guān)元件易受反向恢復(fù)電流效應(yīng)的影響。然而，因?yàn)檎?負(fù)開(kāi)關(guān)電路中的旁路二極管僅被提供用于承載續(xù)流電流，所W可W對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化（例如， 通過(guò)利用快速娃二極管）W進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)損耗（即，動(dòng)態(tài)損耗）。
[0016] 對(duì)于在本發(fā)明的該個(gè)方面，進(jìn)一步地，在續(xù)流期間，利用正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中的開(kāi)關(guān) 元件用于主動(dòng)整流（active rectification)。換言之，經(jīng)由開(kāi)關(guān)元件承載續(xù)流電流W減小 傳導(dǎo)損耗（即，靜態(tài)損耗），并且，僅在再激活短暫之前，將續(xù)流電流重定向W流經(jīng)旁路二極 管。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，建議在電源模塊中采用有利的NPC轉(zhuǎn)換器，電源模塊被 配置用于開(kāi)關(guān)高電壓（+/-600V)使得開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗的減小是有利的。
[0018] 根據(jù)符合本發(fā)明的第一方面的實(shí)施例，建議在電源模塊中使用中性點(diǎn)謝位NPC轉(zhuǎn) 換器。NPC轉(zhuǎn)換器包括正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路W及中性開(kāi)關(guān)電路。正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路被配置為向NPC 轉(zhuǎn)換器的輸出端分別提供在NPC轉(zhuǎn)換器的正和負(fù)輸入端提供的正和負(fù)電壓電平。中性開(kāi)關(guān) 電路被配置為向NPC轉(zhuǎn)換器的輸出端提供在NPC轉(zhuǎn)換器的中性輸入端提供的中性電壓電 平。NPC轉(zhuǎn)換器的正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路的每個(gè)包括用于控制所述正和負(fù)電壓電平向所述輸出端 的提供的兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件的串聯(lián)電路與反向偏置的旁路二極管的并聯(lián)電路。NPC轉(zhuǎn)換器的正 和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括的每個(gè)串聯(lián)電路由具有體二極管的第一開(kāi)關(guān)元件、W及用于同步整流 的第二開(kāi)關(guān)元件形成。
[0019] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的更詳細(xì)實(shí)施例，為了同步整流，NPC轉(zhuǎn)換器的正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中 包括的第二開(kāi)關(guān)元件被配置為阻止反向漏極電流（Ids)流過(guò)相應(yīng)正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括 的第一開(kāi)關(guān)元件的體二極管。
[0020] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的另一更詳細(xì)實(shí)施例，正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括的第二開(kāi)關(guān)元件具 有體二極管，并且第二開(kāi)關(guān)元件的體二極管相對(duì)于NPC轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)的正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中 包括的第一開(kāi)關(guān)元件的體二極管具有相反方向。
[0021] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的又一更詳細(xì)實(shí)施例，正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括的第二開(kāi)關(guān)元件具 有比NPC轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)的正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括的旁路二極管的闊值電壓（Vth)更高的漏 極電壓（Vds)阻斷能力。
[002引根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的另一更詳細(xì)實(shí)施例，正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括的第一和第二開(kāi)關(guān) 元件的柵極被連接。
[0023] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的再一更詳細(xì)實(shí)施例，NPC轉(zhuǎn)換器的正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括的第 一開(kāi)關(guān)元件是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管M0SFET。
[0024] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的又一更詳細(xì)實(shí)施例，NPC轉(zhuǎn)換器的正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括的第 二開(kāi)關(guān)元件是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管M0SFET。
[0025] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的另一更詳細(xì)實(shí)施例，NPC轉(zhuǎn)換器的正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括的第 一和第二開(kāi)關(guān)元件的柵極被連接。
[0026] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的又一更詳細(xì)實(shí)施例，NPC轉(zhuǎn)換器的正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路的每個(gè)的旁 路二極管被配置用于快速開(kāi)關(guān)速度。
[0027] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的再一更詳細(xì)實(shí)施例，NPC轉(zhuǎn)換器的正和負(fù)開(kāi)關(guān)電路中包括的旁 路二極管是SiC肖特基二極管。
[0028] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的進(jìn)一步更詳細(xì)實(shí)施例，將NPC轉(zhuǎn)換器的正開(kāi)關(guān)電路連接在正輸 入端與第一中間節(jié)點(diǎn)之間，用于將正電壓電平提供至第一中間節(jié)點(diǎn)；并且，將NPC轉(zhuǎn)換器 的負(fù)開(kāi)關(guān)電路連接在負(fù)輸入端與第二中間節(jié)點(diǎn)之間，用于將負(fù)電壓電平提供至第二中間節(jié) 點(diǎn)。NPC轉(zhuǎn)換器的中性開(kāi)關(guān)電路包括：第一中性二極管，連接在中性輸入端與第一中間節(jié)點(diǎn) 之間，用于將中性電壓電平提供至第一中間節(jié)點(diǎn)；第二中性二極管，連接在中性輸入端與第 二中間節(jié)點(diǎn)之間，用于將中性電壓電平提供至第二中間節(jié)點(diǎn)；第H開(kāi)關(guān)元件，連接在第一中 間節(jié)點(diǎn)與輸出端之間，用于將中性電壓電平和正電壓電平提供至輸出端；W及第四開(kāi)關(guān)元 件，連接在第一中間節(jié)點(diǎn)與輸出端之間，用于將中性電壓電平和負(fù)電壓電平提供至輸出端。
[0029] 根據(jù)NPC轉(zhuǎn)換器的替代更詳細(xì)實(shí)施例，將NPC轉(zhuǎn)換器的正開(kāi)關(guān)電路連接在正輸入 端與輸出端之間，用于將正電壓電平提供至輸出端；并且，將NPC轉(zhuǎn)換器的負(fù)開(kāi)關(guān)電路連接 在負(fù)輸入端與輸出端之間，用于將負(fù)電壓電平提供至輸出端。NPC轉(zhuǎn)換器的中性開(kāi)關(guān)電路包 括：由第一中性二極管和第H開(kāi)關(guān)元件形成的第一串聯(lián)電路，該第一串聯(lián)電路連接在中性 輸入端與輸出端之間，用于在負(fù)預(yù)充電的輸出端的情況下將中性電壓電平提供至輸出端； W及由第二中性二極管和第四開(kāi)關(guān)元件形成的第二串聯(lián)電路，該第二串聯(lián)電路連接在中性 輸入端與輸出端之間，用于在正預(yù)充電的輸出端的情況下將中性電壓電平提供至輸出端。