CN102948075B - 用于转换电压的方法和电压转换装置 - Google Patents

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Abstract

电压转换装置包括至少四个开关元件（40）的串联连接，该至少四个开关元件（40）各自包括至少一个关断型的半导体设备和与其反并联连接的续流二极管。该装置具有配置成在每个所述续流二极管停止导通时测量代表其两端的电压的参数的部件（41）和配置成取决于所述测量的结果在二极管停止导通的时刻控制存储在每个所述二极管中的电荷的量的布置（42）。

Description

用于转换电压的方法和电压转换装置
发明的技术领域和背景技术
本发明涉及电压转换装置，其包括至少四个开关元件的串联连接，该至少四个开关元件各自包括至少一个关断型的半导体设备和与其反并联连接的续流二极管，所述串联连接的相对末端配置成连接到不同的电势，从而导致所述串联连接两端的直流电压，并且该串联连接的中点配置成连接到装置的交流电压侧同时将该串联连接分成两半部分，所述装置还包括控制单元，其配置成控制开关元件的所述半导体设备以用于获得该装置的所述交流电压侧上的确定的交流电压，以及用于根据随附独立方法权利要求序言的转换电压的方法。
尽管本发明特别针对高压应用（其在这里意味着所述串联连接两端的直流电压超出1kV并且通常超出50kV），但本发明可应用于具有这些特征的任何电压转换装置，并且不受由这样的装置处理的功率、电流或电压的任何水平限制。连接至少两个所述开关元件以及由此在所述串联连接的每个所述半部分中串联至少两个半导体设备的原因实际上是为了获得高压开关能力，因为串联连接的半导体设备以及还有与其反并联连接的续流二极管然后可分享要由串联连接的开关元件获取并且在这些开关元件的阻塞状态中属于相同半部分的电压。
根据本发明采用电压源转换器形式的已知电压转换装置的一个示例在图1中示意地示出。这样的转换器通常具有三个相位臂（leg），但在图1中只示出一个相位臂1并且在这里具有四个开关元件2-5的串联连接，该四个开关元件2-5各自包括关断型的半导体设备6（例如IGBT），以及与其反并联连接的续流二极管7。该串联连接的相对末端连接到不同电势上的直流电压极8、9，从而导致该串联连接两端的直流电压。该串联连接的中点10配置成连接到在这里采用交流电压网11形式的交流电压侧。控制单元12配置成例如根据脉宽调制模式的直流电压脉冲
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，控制开关元件的半导体设备以用于获得装置的交流电压侧上确定的交流电压。
串联连接的开关元件的数量在实践中可比示出的要高得多（例如10-50），以用于增加转换器的电压处理能力。控制单元在执行所述控制时将大致上同时使一个半部分的所有半导体设备接通和关断，使得在实践中这些半导体设备将充当一个单个的开关。
本发明所针对的另一个类型的电压转换装置在图2中示意地示出，并且这也是电压源转换器，但它通过以下事实而与根据图1的装置不同：每个开关元件13一方面具有串联连接并且各自具有关断型的半导体设备16和与其反并联连接的续流二极管17的两个半导体组装件14、15以及另一方面具有至少一个能量存储电容器18。控制单元19配置成控制所述开关元件的半导体设备以获得两个开关状态，即第一开关状态和第二开关状态，其中所述能量存储电容器两端的电压和零电压分别跨开关元件的两个接线端20、21来供应以获得装置的交流电压侧22上确定的交流电压。例如在DE 101 03 031 A1和WO2007/023064 A1中公开了该类型的电压源转换器并且其通常称为多单元转换器或M2LC。
在介绍中限定类型的这些和其他电压转换装置共同的问题是要获得要由开关元件的串联连接获取的电压在这些开关元件上的均匀分布。重要的是，采取措施来获得此效果以用于降低传递损耗并且避免开关元件或整个装置的失败。串联连接的这样的开关元件两端的不同电压的发生的原因可能是开关元件的半导体设备中的电荷差，这是由于温度差或由于像半导体那样的时间差而引起。此外，由于信号传送引起的开关延迟、控制半导体设备的栅极单元的不同控制电压电平或半导体设备的不同传递特性可以导致开关差并且从而导致电压分享差。未在图中示出的无源组件中的差异可以是开关元件之间电压失去分享的另一原因。
该问题迄今已经通过在基于从先前的开关事件获得的信息来开关串联连接的所述半导体设备以补偿电压失去分享时使用延迟而解决。与最后的关断周期相比，相对于与其串联连接并且在相同串中连接的其他半导体设备，在开关周期后具有太高电压的设备稍后必须被关断，即“同时”受控。此外，无源电压分享电路（缓冲器）用于限制设备之间的电压失去分享。这样的已知设备中这样的电路的成本是相当大的。
发明内容
本发明的目的是提供在介绍中限定的类型的电压转换装置，其相对于已经知晓的这样的装置在至少一些方面中来改进。
根据本发明，该目的通过为这样的装置提供部件和布置而获得，该部件配置成测量代表在每个所述续流二极管关断时其两端的电压的参数，并且该布置配置成取决于由所述部件执行的所述测量的结果而在通过停止导通而关断二极管的时刻控制存储在每个所述二极管中的电荷的量以用于在二极管关断后控制该二极管两端的电压。
已经得出的结果是，以该方式解决二极管电压分享使得最小化无源缓冲器的尺寸以补偿每个所述路径中串联连接的开关元件两端更坏情况的电压分享成为可能。二极管的所得到的电荷由每个二极管的先决条件给出，其主要受温度和初始半导体充电寿命属性的影响。给出二极管的电压分享与存储的电荷成反比，即，二极管存储的电荷越多，它将建立的电压越少。通过测量代表每个续流二极管关断时其两端的电压的参数并且然后取决于所述测量的结果在二极管关断的时刻控制存储在每个所述二极管中的电荷的量，在相同串中串联连接的二极管之间的电压失去分享可被有效地补偿，使得串联连接的开关元件的无源组件的成本和尺寸可显著降低。
根据本发明的实施例，所述部件配置成测量每个续流二极管两端的电压。这构成了获得所述参数的简单且可靠的方式，依据其，存储在每个所述二极管中的所述电荷的量然后将被控制。
根据本发明的另一个实施例，所述半导体设备具有内置在其中的相应的续流二极管。内置在这样的关断型的半导体设备中的二极管的电荷控制可由简单的部件实现。
根据本发明的另一个实施例（其构成实施例的进一步发展），最后提到的所述半导体设备是栅控的，并且所述布置配置成在内置在其中的二极管导通时在所述半导体设备的栅极上应用正脉冲并且取决于由所述部件执行的所述测量的结果而作出该脉冲的属性。在二极管电流流过栅极发射极期间，所述半导体设备的电压改变（shift）到阈值以下（其主要意味着是负的）以获得更低的导通损耗。在关断电流之前通过应用所述正选通脉冲，电荷将从二极管去除以获得其更低的关断损耗。通过修改该正选通脉冲的属性，在二极管关断的时刻存储在相应的二极管中的电荷的量以及由此在二极管关断后该二极管两端的电压可被控制
Figure 930416DEST_PATH_IMAGE002
。
根据本发明的另一个实施例，所述布置配置成通过在二极管的关断与所述正选通脉冲之间选择延迟在相应的二极管关断的时刻来控制存储在该相应的二极管中的电荷。在相应的二极管关断的时刻存储在该相应的二极管中的电荷的量可采取该方式来有效地调制，因为该延迟越长，存储的电荷将越多并且建立的电压将越少。
根据本发明的另一个实施例，所述布置配置成将所述时间延迟改变成0-30μs或0-15μs。所述正选通脉冲优选地具有10-15μs或10-30μs的长度。
根据本发明的另一个实施例，装置的半导体设备是RC-IGBT，即反向导通绝缘栅双极晶体管。例如在二极管关断以前通过修改正到负的栅电压的所述时间延迟，存储在二极管（其内置在这样的半导体设备中）的电荷的量以及由此在二极管关断时其两端的电压可容易地被控制。
根据本发明的另一个实施例，装置是电压源转换器，其具有由开关元件的所述串联连接形成的至少一个相位臂。这是本发明的应用，其中续流二极管的电荷控制的益处是相当大的。这样的电压源转换器然后可具有不同的类型，例如在介绍中公开并且在各种情形下使用的两个类型，其中直流电压要转换成交流电压以及相反地，其中这样的使用的示例是在HVDC-电厂（高压直流电流）站（其中直流电压通常转换成三相交流电压或相反地）中，或在所谓的背靠背站（其中交流电压首先转换成直流电压并且其然后转换成交流电压）中，以及在SVC（静态乏补偿器）中，其中直流电压侧包括自由悬置（hang）的电容器。然而，本发明不限于这些应用，而其他应用也是可想得到的，例如在机器、车辆等的不同类型的驱动***中。
根据本发明的另一个实施例，每个所述半部分的所述开关元件形成至少一个电流阀，所述控制单元配置成控制转换器的所述电流阀以根据脉宽调制模式在所述中点上应用直流电压脉冲，并且所述布置配置成将所述正选通脉冲应用于属于所述串联连接的半部分的至少一个电流阀的半导体设备，其中二极管目前正交替导通，同时另一半部分的半导体设备交替接通和关断。
根据本发明的另一个实施例，装置配置成使所述串联连接的所述相对末端两端的直流电压为1 kV -1200kV、10 kV -1200 kV或100 kV -1200 kV。这些是在其内本发明特别有利的时间间隔，尽管本发明不限于此。
根据本发明的另一个实施例，装置配置成使所述串联连接的所述相对末端连接到直流电压网以传送高压直流电流（HVDC）并且使交流电压侧连接到属于交流电压网的交流电压相位线。
本发明还涉及用于通过控制根据随附独立方法权利要求的序言的电压转换装置来转换电压的方法，其特征在于，测量代表每个所述续流二极管关断时其两端的电压的参数，以及取决于所述参数的所述测量结果在通过停止导通而关断二极管的时刻来控制存储在每个所述二极管中的电荷的量以用于在二极管关断后控制其两端的电压。这样的方法以及在从属的权利要求中限定的该方法的实施例的优点从根据本发明及其实施例的装置的上述讨论来清楚地显现。
本发明另外的优点以及有利特征将从下列描述显现。
附图说明
参照附图，下文接着是引用为示例的本发明实施例的描述。
在图中：
图1是示意地示出根据本发明可应用于的一类型的已知装置的简化视图，
图2是示意地示出本发明可应用于的另一类型的已知装置的简化视图，
图3是示出在根据本发明的装置中有利地用作半导体设备的RC-IGBT的简化视图，
图4是根据本发明实施例的装置对应于图1的视图，
图5是用于解释根据本发明的装置和方法对应于图1的视图；
图6是示出用于图5中的开关元件的串联连接的一个半部分的脉宽调制模式的曲线图，
图7是示出根据图5的装置中这样的RC-IGBT的
Figure DEST_PATH_IMAGE003
电流换向时间相对一个RC-IGBT的栅极-发射极电压的延迟控制的定时影响的曲线图，以及
图8和9是可如何获得目标电荷以及二极管的关断与正选通脉冲的末端之间的延迟相对在二极管关断的时刻RC-IGBT中续流二极管的电荷的简化曲线图。
Figure 847557DEST_PATH_IMAGE004
具体实施方式
适合于在根据本发明的电压转换装置中形成开关元件的反向导通绝缘栅双极晶体管30在图3中示意地示出。其IGBT在一个末端处具有发射极31并且在另一个末端处具有集电极32。此外，它具有N+发射极区层33、P+主体区层34、N-漂移层35、N缓冲层36和P+集电极区层37。另外，它具有栅极电极38，并且导通反型沟道可通过应用高于IGBT的接通状态电压的正栅极-发射极电压而在栅极38下方从层33到层35来形成。
通过在层37下面将N+层39布置与集电极电极32接触，续流二极管内置到半导体设备内。这意味着包括采用IGBT形式的关断型的半导体设备和与其反并联连接的续流二极管的开关元件可由该组件形成。
图4示意地示出根据本发明的电压转换装置。该装置具有在图1中示出的类型并且具有作为开关元件的串联连接的RC-IGBT 40。该装置包括部件41，其配置成在关断时测量每个开关元件的每个续流二极管两端的电压并且将关于其的信息发送到所述控制单元42，其包括配置成取决于由所述电压测量部件41执行的测量结果在通过停止导通而关断二极管的时刻来控制存储在每个所述二极管中电荷的量以用于在二极管关断后控制二极管两端的电压的布置。在图4中示出的装置在图5中概述，其中符号50和51各自可代表大量串联连接的RC-IGBT。在装置的交流电压侧52上创建的交流电压的半个时期期间，开关元件50中的IGBT将根据脉宽调制模式交替地接通和关断并且开关元件51中的二极管将在开关元件50中的IGBT关断时导通。上半部分50的RC-IGBT的电压脉冲在图6的底部处示出，其中时间时期A内的脉冲是在其IGBT导通的时候并且在时间时期B期间是在其二极管导通的时候。在二极管关断后控制开关元件的二极管两端的电压以用于获得串联连接的二极管的均匀电压分享在时间时期B期间在相应的二极管导通时间期间是可能的，如通过代表对在D处电荷控制结束的一个总的可用时期的图6中箭头C示出的。这如何可发生现将同时还参考图7来解释。线I示出相位臂的半部分（在这里是下半部分）的开关元件中的IGBT（在其交替接通和关断的时期中）的栅极-发射极电压VGE，并且这些IGBT在时间点t1接通，这意味着通过上半部分的开关元件中的二极管的电流II然后将换向，使得电流相反将通过下部的IGBT流动到交流电压侧52。上部路径50中的开关元件的栅极发射极电压VGE在图7的底部处示出。在二极管电流流动期间，该栅极发射极电压改变到阈值以下并且在本情况中是-15V以获得较低导通损耗。然而，在电流关断前不久，即在时间点t2（其可以是t1之前的大约20μs），发出快的正选通脉冲III以尽可能多地从该半导体设备去除电荷来获得较低的关断损耗。该正选通脉冲在时间t1之前必须去除并且在二极管关断期间提取的残余电荷取决于去除正选通脉冲的时刻直到电流真正地换向远离设备之间消逝的时间。示出该延迟可以如何是零（a）、1μs（b）、4μs（c）和12μs（d）以及这将如何影响电流（a-d）。看到，反向恢复电流随着延迟而增加并且对于根据d的延迟比根据a（a=零延迟）的延迟要高相当多。对此的原因是随着正栅极-发射极电压的应用（如通过正选通脉冲III），电荷被提取和存储的电荷减少。这在μs范围内非常快地发生。如果栅极-发射极电压然后降到阈值以下（典型地0V或负电压（在这里，-15V）），电荷在从几μs到高达数百μs范围的时间时期期间再次累积直到再次实现满电荷。
给出串联连接的二极管的电压分享与存储的电荷成反比。二极管已存储的电荷越多，它将建立的电压越少。这意味着电压分享可通过修改所述延迟来有效地控制和调整，并且由此，根据在先前的开关时期中确定的相应二极管两端的实际电压来有效地控制和调整对其存储的电荷。另外，存储的电荷要求残余电流对相同串中的所有其他二极管（半导体设备）来流动。必须记住的是，通过每个设备的电流必须相同，使得电压分享取决于生成要求的电荷的每个二极管中所需要的电压。
图8是对延迟d指示的图7中的时间延迟时间td相对在二极管关断时刻这样的设备的串联连接中RC-IGBT的二极管中存储的电荷Q的曲线图。td可能决不是显著负的，因为这将导致相位短路电路，使得60对于相同的时间延迟是禁止区域。此外，看到，在相当短的时间延迟的区域61（其是大约-2-20μs）中，将存在存储的电荷变化相对时间延迟改变的最强变化率，使得这是对电压分享控制的优选控制区域。跟着在其上的区域62是减小影响的区域并且区域63是可忽略影响的区域。
图9是对应于对具有不同电荷特性的两个串联连接的RC-IGBT的图8的曲线图并且示出时间延迟td中的差可如何用于补偿给定控制范围内的电荷差以用于对两个二极管获得相同的目标电荷QT并且由此获得其的完美电压分享。在二极管两端具有较低电压的二极管中的第一个具有特性曲线64，而在其两端具有较高电压的二极管中的第二个具有根据曲线65的特性。通过按dtd1使对第一二极管的延迟缩短，存储的电荷将按dQ1来减少，并且由此，其两端的电压将被增加。通过按dtd2使对第二二极管的延迟增加，存储的电荷将按dQ2来增加，并且由此，在该二极管上的电压被降低，使得串联连接的两个二极管两端的电压将相同。
本发明当然不以任何方式限于上文描述的实施例，但在不偏离如随附权利要求中限定的本发明的范围的情况下对其修改的许多可能性对于本领域内技术人员将是明显的。
除该电压外，可测量代表所述续流二极管两端的电压的另一参数，例如取决于该电压的任何参数。
本发明还可应用于除RC-IGBT以外的其他半导体设备，并且该想法还将对与所述关断型的半导体设备分开的电荷可控续流二极管起作用。
根据本发明的电压转换装置可具有串联连接的至少两个所述开关元件的两个或更多并联串。

Claims (10)

1.一种电压转换装置，包括：
至少四个开关元件(2-5，13，40，50，51)的串联连接，所述至少四个开关元件(2-5，13，40，50，51)各自包括
至少一个关断型的半导体设备(6)和与其反并联连接的续流二极管(7)，
其中所述串联连接的相对末端配置成连接到不同的电势(8，9)，从而导致所述串联连接两端的直流电压，并且
所述串联连接的中点(10)配置成连接到所述装置的交流电压侧(11，52)同时将所述串联连接分成两半部分，
控制单元(12，42)，其配置成控制开关元件的所述半导体设备以用于获得所述装置的所述交流电压侧上确定的交流电压，以及
部件(41)，其配置成在每个所述续流二极管关断时测量代表其两端电压的参数，
其特征在于
所述半导体设备(40)是栅控的并且具有内置在其中的相应的续流二极管，
所述装置包括配置成在二极管停止导通而关断的时刻根据在二极管关断时用于测量参数的所述部件执行的所述测量的结果而控制存储在每个所述二极管中的电荷的量的布置，
所述布置配置成，在二极管电流流动期间，将所述半导体设备的栅极发射极电压改变到阈值以下来获得较低导通损耗，
所述布置之后配置成在内置在所述半导体设备中的二极管导通时在所述半导体设备的栅极(38)上应用正脉冲(III)，并且根据由所述部件执行的所述测量的结果来作出该脉冲的属性，
所述布置配置成通过在二极管的关断(t1)与所述正脉冲的末端之间选择延迟(td)在相应的二极管关断的时刻来控制存储在所述相应的二极管中的电荷。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述部件(41)配置成测量每个续流二极管两端的电压。
3.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，其半导体设备(40)是RC-IGBT，即反向导通绝缘栅双极晶体管。
4.如前述权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置是具有由开关元件的所述串联连接形成的至少一个相位臂的电压源转换器。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，每个所述半部分的所述开关元件(50，51)形成至少一个电流阀，所述控制单元(42)配置成控制所述转换器的所述电流阀以根据脉宽调制模式在所述中点(52)上应用直流电压脉冲，以及所述布置配置成将所述正脉冲(III)应用于属于所述串联连接的半部分的至少一个电流阀的半导体设备，其中二极管目前正交替地导通，同时另一半部分的半导体设备交替地接通和关断。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置配置成使所述串联连接的所述相对末端两端的直流电压为1kV-1200kV、10kV-1200kV或100kV-1200kV。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置配置成使所述串联连接的所述相对末端连接到直流电压网以用于传送高压直流电流(HVDC)并且使交流电压侧连接到属于交流电压网的交流电压相位线。
8.一种用于通过控制电压转换装置来转换电压的方法，所述电压转换装置包括至少四个开关元件(2-5，13，40，50，51)的串联连接，所述至少四个开关元件(2-5，13，40，50，51)各自包括至少一个关断型的半导体设备(6)和与其反并联连接的续流二极管(7)，所述关断型的半导体设备(6)是栅控的、具有内置在其中的相应的续流二极管，其中所述串联连接的相对末端配置成连接到不同的电势(8，9)，从而导致所述串联连接两端的直流电压，并且所述串联连接的中点(10)配置成连接到所述装置的交流电压侧(11，52)同时将所述串联连接分成两半部分，其中所述开关元件的所述半导体设备被控制以用于获得所述装置的所述交流电压侧上确定的交流电压，
其特征在于
●在每个所述续流二极管关断时测量代表其两端的电压的参数，以及
●在二极管停止导通而关断的时刻控制存储在每个所述二极管中的电荷的量，所述控制取决于代表在二极管关断时其两端电压的所述参数的所述测量的结果，这通过在二极管电流流动期间将所述半导体设备的栅极发射极电压改变到阈值以下来获得较低导通损耗并且之后在内置在所述半导体设备中的二极管导通时在所述半导体设备的栅极(38)上应用正脉冲(III)来实现，并且取决于所述测量的结果来作出该脉冲的属性，
通过在二极管的关断(t1)与所述正脉冲的末端之间选择延迟(td)在相应的二极管关断的时刻来控制存储在相应的二极管中的电荷的量。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，测量作为所述参数的每个续流二极管两端的电压。
10.如权利要求8-9中任一项所述的方法，其特征在于，执行存储在相应的二极管中的电荷的量的所述控制以便在续流二极管关断时最小化该续流二极管两端的电压与续流二极管两端的平均电压的可能偏差以用于这些二极管之间均等的电压分享。
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