[发明专利]功率转换器的物理拓扑结构

说明书

一种用于接收顶部和底部功率电子开关的物理拓扑结构，包括：顶部集电极迹线，其连接到正电压电源接片，且具有用于顶部功率电子开关的集电极的连接区域；底部发射极迹线，其连接到负电压电源接片，且具有用于底部功率电子开关的发射极的连接区域；以及中间迹线，其连接到负载接片，并具有用于顶部功率电子开关的发射极的连接区域和用于底部功率电子开关的集电极的连接区域。在用于顶部和底部功率电子开关的发射极的电压的迹线上、在用于底部功率电子开关的集电极的电压的迹线上、以及在负电压电源接片上提供采样点。拓扑结构限定了寄生电感。采样电压可以提供给栅极驱动器基准。

技术领域

本公开涉及功率电子领域。更具体地，本公开涉及用于构建功率转换器的物理拓扑结构。

背景技术

换向单元通常用于需要电压源的转换的电子系统，包括DC-DC转换器和DC-AC转换器(通常称为逆变器)。由于功率转换器电路(诸如在电动和 /或电动混合汽车应用中所使用的功率转换器电路)所允许的有限的空间，并且由于半导体的高成本，因此对这些换向单元的集成的需求增加。

减少功率转换器电路中的半导体所占用的空间的已知方式是提高其效率，以使冷却表面的尺寸减小。

存在于传统功率转换器电路中的功率电子开关的损耗主要由两个来源引起：传导损耗和开关损耗。减少开关损耗的一种方法通常是加速功率电子开关的导通和关断。然而，功率电子开关的快速关断会在其高频回路的杂散电感中产生过电压。因此通常需要减慢功率电子开关的关断以保护其不经受过电压。这可能会严重影响传统功率转换器电路的整体效率。

图1是诸如在传统功率转换器电路中使用的传统换向单元的理想化的电路图。换向单元10将来自电压源12(或电容器)的DC电压V_bus转换成电流源I_out(或电感器)，该电流源I_out通常产生适合于负载14的电压V_out，负载14可以是电阻负载、电动马达等。换向单元10包括续流二极管16和受控功率电子开关18，例如隔离栅极双极晶体管(IGBT)。电容器20(C_in)用于限制电压源12的电压V_bus的变化，电感器32用于限制输出电流I_out的变化。栅极驱动器(图1中未示出，但在后面的附图中示出)控制功率电子开关18的导通和关断。图1示出了换向单元10、负载14和电压源12的配置，其中能量从电压源12流动到负载14，即在图上从左到右。换向单元10 也可以以其中能量沿相反方向流动的相反配置使用。

当导通时，功率电子开关18允许电流从其集电极22通过该功率电子开关到其发射极24；此时，功率电子开关18可以近似为闭合电路。当关断时，功率电子开关18不允许电流通过其，并且可以近似为断开电路。

栅极驱动器在功率电子开关18的栅极26和发射极24之间施加可变的控制电压。对于某些类型的功率电子开关，诸如双极型晶体管，栅极驱动器可以充当电流源而不是电压源。通常，当施加在栅极26与发射极24之间的电压为“高”时，功率电子开关18允许电流从集电极22流动到发射极24。当施加在栅极26与发射极24之间的电压为“低”时，功率电子开关18阻断电流通过其。更详细地，栅极驱动器控制表示为V_ge的、栅极26和发射极24 之间的电压差。当V_ge大于功率电子开关18的阈值V_ge(th)时，开关18导通，集电极22和发射极24之间的电压V_ce接近零。当V_ge低于V_ge(th)时，功率电子开关18断开，V_ce最终达到V_bus。