[发明专利]有源缓冲器

说明书

本发明一般涉及用于功率变换器的相脚的切换单元和控制功率变换器来驱动负载的方法，并且更具体地涉及多个这样的切换单元、用于功率变换器的相臂、功率变换器相脚，涉及用于驱动负载的功率变换器，以及制造功率变换器的方法。用于功率变换器的相脚的切换单元可以包括：用于传导用于驱动负载的电流的功率开关；与所述功率开关并联耦合的换向路径，所述换向路径包括串联耦合的单元电容器和辅助开关，所述辅助开关被配置为允许控制所述换向路径的导通状态；以及耦合到所述功率开关和所述换向路径的耦合部的单元电感器，其中所述切换单元包括用于接收控制信号的至少一个控制输入线，所述至少一个控制输入线被配置为驱动所述功率开关的控制端子和所述辅助开关的控制端子。

技术领域

本发明一般涉及用于功率变换器的相脚的切换单元和控制功率变换器来驱动负载的方法，并且更具体地涉及多个这样的切换单元、功率变换器的相臂、功率变换器相脚，涉及用于驱动负载的功率变换器，以及制造功率变换器的方法。

背景技术

宽带隙(WBG)功率半导体器件正在接近某些功率电子变换器应用中的商业采用点。它们具有比硅更大的带隙，引起增加的击穿电场强度和增加的最大结温。

对于给定的击穿电压，增加的电场强度导致较窄的漂移区域；这可能产生的优点是，例如：(i)降低导通状态电压降(针对归一化区域的电阻)，从而降低传导损耗；和/或(ii)更快的切换，从而降低切换损耗。增加的运行结温也是潜在的益处，尽管现有的器件封装在典型的可变负载条件下不能承受由此造成的严重的温度循环。

虽然减少的传导损耗可能是最直接的益处，但是大大增加的切换速度(并且因此降低的切换损耗和/或增加的功率变换器切换频率)通常只有在换向电感从在基于IGBT的变换器中发现的典型电平大大降低时可以被利用。使用击穿电压为例如1200或1700V的功率器件，对于低压变换器(例如，690V ac电源)，这可能在30nH的区域内。实际上，即使现有的IGBT有时也必须放慢到足够降低电感电压过冲电平；使用WBG器件(例如，具有相同额定击穿电压的SiCMOSFET)直接代替这些器件通常需要实现相同的切换速度，这可能导致WBG器件切换损耗的显著增加，这可能使其采用毫无意义。

为了利用WBG器件的潜力，可以考虑开发具有非常小的换向电感(优选地小于几个nH)的开关电路，以允许快速切换发生，而不会导致大的电压过冲。然而，这样的副作用可能是非常快的di/dt和dv/dt切换边缘，后者也是在电机驱动中采用的问题。此外，由于所需的高度紧凑的布局，在现有的几千瓦以上的变换器设计中，非常小的换向电感可能是并不能够实现的。

因此，如果在高功率变换器(例如，100kW及以上)中采用WBG器件，则需要应对现有的换向电感并递送符合现有IGBT切换的明显的dv/dt的能力。此外，为了帮助市场的采用，这些器件将优选地能够在类似于当前使用的封装(例如EconoDual/Pack(TM)、PrimePack(TM)、HPM)中使用，以避免在变换器设计中必须完全从零开始。

功率变换器领域继续提供对切换拓扑的需求，切换拓扑可以例如允许更大的能量效率、改进的可靠性、更低的成本、紧凑的设计、标准功率变换器封装的适用性、快速和/或低切换损耗操作(例如在存在到外部电容器的相对大的电感的情况下)、增加的功率变换器切换频率、较低的传导损耗、高的最高操作温度、高的DC供电电压，例如相对于功率切换器件击穿电压，降低的电压过冲、对具有绕组的电感负载(例如电机)改进的保护等。

发明内容