混合转换器系统的制作方法

本文所公开的主题涉及电压转换器系统。更具体来说，本公开一般涉及使用电压转换器系统中的不同类型的开关来降低损耗并且改进效率。

背景技术：

碳化硅(sic)是一种半导体，其越来越多地用于功率电子装置、例如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)中。与没有在相应装置中采用碳化硅的其他功率电子装置相比，sic功率电子装置一般在较高切换速率(例如千赫兹(khz)范围)具有较低切换损耗，工作在较高结温度，并且工作在较高电压。因此，近年来，sic功率电子装置鉴于其切换性能和高温操作能力而获得关注。但是，由于制造sic功率电子装置的成本与其他功率电子装置不可比，所以其他硅基功率电子装置用作使用具有sic功率电子装置的系统的低成本备选方案。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种电压转换器可包括耦合到第一直流(dc)电压源的硅(si)基功率装置的第一组以及耦合到第二dc电压源的si基功率装置的第二组。该电压转换器还可包括碳化硅(sic)基功率装置的第一组，所述碳化硅(sic)基功率装置的第一组耦合到si基功率装置的第一组并且耦合到si基功率装置的第二组。sic基功率装置的第一组的每个sic基功率装置与si基功率电子装置的第一组和第二组的每个si基功率装置相比可以以较高频率进行切换。

在另一个实施例中，一种将直流(dc)电压信号转换为交流(ac)电压信号的设备可包括耦合到第一直流(dc)电压源的碳化硅(sic)基功率电子装置的第一组以及耦合到第二直流(dc)电压源的碳化硅基功率电子装置的第二组。该设备还可包括硅基功率电子装置的第一组，所述硅基功率电子装置的第一组耦合到sic基功率电子装置的第一组并且耦合到sic基功率电子装置的第二组，其中sic基功率电子装置的第一组和第二组的每个sic基功率电子装置配置成与si基功率电子装置的第一组的每个硅基功率电子装置相比以更高频率进行切换。

在又一个实施例中，一种电压转换器可包括耦合到第一dc电压源的硅(si)基功率装置的第一组以及耦合到第二dc电压源的si基功率装置的第二组。该电压转换器还可包括碳化硅(sic)基功率装置的第一组，所述碳化硅(sic)基功率装置的第一组耦合到si基功率装置的第一组并且耦合到si基功率装置的第二组。电压转换器还可包括处理器，所述处理器可控制sic基功率装置的第一组的每个sic基功率装置以及si基功率装置的第一组和第二组的每个si基功率装置的切换，使得sic基功率电子装置的第一组的一个sic基功率装置在任何给定时间与硅基功率电子装置的第一组或第二组的一个si基功率电子装置串联地传导电流。

技术方案1：一种电压转换器(10)，包括：

耦合到第一直流(dc)电压源(20)的硅(si)基功率装置的第一组(12)；

耦合到第二dc电压源(22)的si基功率装置的第二组(12)；以及

碳化硅(sic)基功率装置的第一组(14)，耦合到si基功率装置的所述第一组(12)并且耦合到si基功率装置的所述第二组(12)，其中sic基功率装置的所述第一组(14)的每个sic基功率装置配置成与所述si基功率电子装置的所述第一组和第二组(12)的每个si基功率装置(12)相比以更高频率进行切换。

技术方案2：如技术方案1所述的电压转换器，其中，si基功率装置的所述第一组和第二组的每个组包括一个或多个绝缘栅双极晶体管(igbt)。

技术方案3：如技术方案1所述的电压转换器，其中，sic基功率装置的所述第一组包括一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

技术方案4：如技术方案1所述的电压转换器，包括处理器，所述处理器配置成向si基功率装置的所述第一组和第二组和sic基功率装置的所述第一组提供多个栅信号，其中所述多个栅信号配置成使sic基功率装置的所述第一组与si基功率装置的所述第一组和第二组相比以更高频率进行切换。

技术方案5：如技术方案1所述的电压转换器，其中，硅基功率电子装置的所述第一组和第二组的每个si基功率装置配置成以基频进行切换。

技术方案6：如技术方案5所述的电压转换器，其中，所述基频为60hz。

技术方案7：如技术方案1所述的电压转换器，包括：

电容器，耦合到sic基功率装置的所述第一组；以及

sic基功率装置的第二组，耦合到所述电容器和碳化硅基功率电子装置的所述第一组。

技术方案8：如技术方案1所述的电压转换器，其中，碳化硅基功率电子装置的所述第一组的每个碳化硅基功率电子装置配置成以1khz或更大进行切换。

技术方案9：一种配置成将直流(dc)电压信号转换为交流(ac)电压信号的设备(60)，包括：

耦合到第一直流(dc)电压源(20)的碳化硅(sic)基功率电子装置的第一组(14)；

耦合到第二直流(dc)电压源(22)的sic基功率电子装置的第二组(14)；以及

硅基功率电子装置的第一组(12)，耦合到sic基功率电子装置的所述第一组(14)并且耦合到sic基功率电子装置的所述第二组(14)，其中sic基功率电子装置的所述第一组和第二组(14)的每个sic基功率电子装置(14)配置成与所述si基功率电子装置的所述第一组(12)的每个si基功率电子装置(12)相比以更高频率进行切换。

技术方案10：如技术方案9所述的设备，其中，si基功率电子装置的所述第一组包括一个或多个绝缘栅双极晶体管(igbt)。

技术方案11：如技术方案9所述的设备，其中，sic基功率电子装置的所述第一组和第二组的每个组包括一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

技术方案12：如技术方案9所述的设备，其中，si基功率电子装置的所述第一组包括相互串联耦合的至少两个绝缘栅双极晶体管(igbt)。

技术方案13：如技术方案9所述的设备，其中，sic基功率电子装置的所述第一组和第二组的每个组包括相互串联耦合的至少两个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

技术方案14：如技术方案9所述的设备，其中，硅基功率电子装置的所述第一组的每个si基功率电子装置配置成以基频进行切换。

技术方案15：如技术方案9所述的设备，其中，sic基功率电子装置的所述第一组和第二组的每个sic基功率电子装置配置成以基本周期的一半进行切换。

技术方案16：一种电压转换器，包括：

耦合到第一dc电压源的硅(si)基功率装置的第一组；

耦合到第二dc电压源的si基功率装置的第二组；

碳化硅(sic)基功率装置的第一组，耦合到si基功率装置的所述第一组并且耦合到si基功率装置的所述第二组；以及

处理器，配置成控制sic基功率装置的所述第一组的每个sic基功率装置以及所述si基功率装置的所述第一组和第二组的每个si基功率装置的切换，使得sic基功率电子装置的所述第一组的一个sic基功率装置在任何给定时间与所述硅基功率电子装置的所述第一组或第二组的一个si基功率电子装置串联地传导电流。

技术方案17：如技术方案16所述的电压转换器，其中，所述处理器配置成移除来自所述si基功率装置的所述第一组的第一si基功率装置的第一栅信号，并且向所述si基功率装置的所述第二组的第二si基功率装置提供第二栅信号。

技术方案18：如技术方案17所述的电压转换器，其中，所述处理器配置成当所述转换器的电压输出过零时移除所述第一信号并且提供所述第二信号。

技术方案19：如技术方案1所述的电压转换器，其中，si基功率装置的所述第一组和第二组的每个组包括一个或多个绝缘栅双极晶体管(igbt)。

技术方案20：如技术方案1所述的电压转换器，其中，sic基功率装置的所述第一组包括一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

附图说明

通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本发明的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似标号在附图中通篇表示相似部件，附图包括：

图1是按照一实施例的三级混合转换器系统的示意图；

图2是按照一实施例、由混合转换器系统所输出的电压信号的图表连同提供给图1的混合转换器系统中的切换装置的栅信号的时序图；

图3示出按照一实施例、比较不同类型的转换器系统的能量损耗的条形图；

图4是按照一实施例的另一个三级混合转换器系统的示意图；以及

图5是按照一实施例的五级混合转换器系统的示意图。

具体实施方式

下面将描述一个或多个具体实施例。在提供这些实施例的简要描述的过程中，在本说明书中并非描述实际实现的所有特征。应当理解，在任何这种实际实现的开发中，如同任何工程或设计项目中那样，必须进行许多实现特定的判定以便实现开发人员的特定目标，例如符合系统相关和业务相关限制，这些限制可对每个实现而改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且费时的，但仍然是获益于本公开的技术人员进行的设计、制作和制造的日常事务。

在介绍本公开的各个实施例的元件时，限定词“一”、“一个”、“该”和“所述”意指表示存在元件的一个或多个。术语“包含”、“包括”和“具有”意指包含在内，并且表示可存在除了列示元件之外的附加元件。

硅(si)功率电子装置在各种功率转换系统(例如整流器、逆变器)中广泛用来把来自交流(ac)电压信号的电压信号转换成直流(dc)电压信号或者反过来。但是，硅基功率电子装置、例如硅绝缘栅双极晶体管(igbt)可在高频切换期间作为热损耗而损失其能量的越来越多的部分。因此，硅基功率电子装置的性能可限制到某种切换频率(例如1khz)。

与硅基功率电子装置形成对照，碳化硅基功率电子装置、例如碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)与硅基功率电子装置相比可呈现明显更低的切换损耗。因此，sic功率电子装置在频繁切换(例如>1khz)时并且在较高温度可比si功率电子装置更为有效地操作。

虽然si功率电子装置的切换损耗可大于sic功率电子装置的切换损耗，但是与sic功率电子装置的传导损耗相比，跨si功率电子装置的传导损耗(或电压降)可保持为比较恒定或者以较慢速率增加。也就是说，由于si功率电子装置、例如siigbt的结构，对于相同额定电流，跨si功率电子装置的电压降与sic功率电子装置、例如sicmosfet相比一般可更低。

鉴于以上所述，在一个实施例中，si功率电子装置和sic功率电子装置均可共同在电路中用来更有效地执行功率转换操作。也就是说，当前所公开的混合转换器系统一般采用在某个低频范围(例如0-1khz、线路频率、基频)中切换的si功率电子装置连同以更高频率范围(例如>1khz)切换的sic功率电子装置。通过以线路频率或基频切换si功率电子装置并且使用sic功率电子装置以高频进行切换，混合转换器系统可产生高质量电压输出，该高质量电压输出使sic功率电子装置的低切换损耗性质的有益效果为最大。此外，混合转换器系统可协调提供给si功率电子装置和sic功率电子装置的栅信号，使得si功率电子装置可在切换时携带零电流。因此，si功率电子装置可没有切换损耗。

作为介绍，图1示出按照本方式的一实施例的三级混合转换器系统10(其结合si功率电子装置和sic功率电子装置以便将dc电压信号转换成ac电压信号)的示意图。三级混合转换器系统10(混合转换器系统10)可表征为具有混合开关组合件(其使用si功率电子装置和sic功率电子装置)的有源中性点钳位多级转换器。应当注意，图1的示意图可表示多相转换器系统的一个相臂。因此，三级混合转换器系统10可用于这种多相转换器系统的一个或多个臂上。

在一个实施例中，混合转换器系统10的si功率电子装置和sic功率电子装置可以分别是siigbt12和sicmosfet14。siigbt12可包括不同额定值的各种类型的igbt(例如1.7kv、3.3kv、4.5kv或6.5kvigbt)，该igbt使用si作为半导体材料在传导与非传导状态之间进行切换。按照同样的方式，sicmosfet可包括不同额定值的各种类型的mosfet，该mosfet使用sic作为半导体材料在传导与非传导状态之间进行切换。虽然各种混合转换器系统的以下描述将针对所示siigbt12和sicmosfet14来论述，但是应当注意，在其他实施例中，任何适当类型的si功率电子装置和sic功率电子装置可用来代替siigbt12和sicmosfet14。

在一些实施例中，多个siigbt12可作为模块16的部分编组在一起。例如，在混合转换器系统10中，两个siigbt12可相互串联电耦合，并且提供三个互连结点(例如11、13、15)，其中模块16可耦合到其他电组件。互连结点可位于siigbt12其中之一的集电极侧、siigbt12其中之一的发射极侧以及两个siigbt12之间。

按照同样的方式，多个sicmosfet14可作为模块18的部分编组在一起，使得两个sicmosfet14可相互串联电耦合。此外，模块18还可具有三个互连结点(例如13、17、19)，其中模块18可耦合到其他电组件。模块18的互连结点可位于sicmosfet14其中之一的漏极侧、sicmosfet14其中之一的源极侧以及两个sicmosfet14之间。

在某些实施例中，模块16和模块18均可以是标准化可互换组件，这些组件可用来构建混合系统10。因此，模块16和模块18各可单独制造，并且可被装配者用于使用标准构建组件来创建具有不同电压和电流额定值的不同混合转换器系统。

有鉴于此，混合转换器系统10的每个siigbt模块16可耦合于dc电压源(例如dc电压源20、dc电压源22)。相交结点(例如13、19)或者每个siigbt模块16的输出则可与sicmosfet模块18串联耦合。例如，模块16的两个siigbt12之间的互连结点可耦合到模块18的sicmosfet的源极侧和漏极侧。

混合转换器系统10的ac输出电压可在输出端子(例如21、23)来提供，输出端子连接到模块18的sicmosfet之间的互连结点(例如17)并且连接到电压源20与电压源22之间的互连结点(例如15)。在一些实施例中，电压源20和电压源22均提供相同量的dc电压。因此，siigbt12和sicmosfet14可按照可控方式来接通和关断，以便将经由电压源20和22所提供的dc电压信号转换成混合转换器系统10所输出的ac电压信号。ac电压信号输出然后可被提供给各种类型的ac供电装置、例如ac电动机等，以执行各种类型的操作。

在一个实施例中，siigbt12和sicmosfet14的切换可通过提供给siigbt12和sicmosfet4的栅极的栅信号来控制。因此，混合转换器系统10可包括混合转换器控制系统24，混合转换器控制系统24可向混合转换器系统10中的siigbt12和sicmosfet14的每个提供栅信号，以控制混合转换器系统10的操作。

混合转换器控制系统24一般可包括处理器26，处理器26确定要提供给混合转换器系统10的siigbt12和sicmosfet14的适当栅信号，以便使用dc电压源20和22来产生预期ac电压输出信号。处理器26可以是能够运行计算机可执行指令(例如软件代码、程序、应用)的任何类型的计算机处理器或者微处理器。处理器26还可包括多个处理器，该多个处理器可协作执行以下所述操作。

一般来说，如上所述，处理器26可运行软件应用，所述软件应用包括程序，以确定要提供给siigbt12和sicmosfet14的栅信号，使得所产生ac电压输出对应于预期电压信号。例如，图2示出提供给图1的混合转换器系统10的实施例的siigbt12和sicmosfet14的相应栅极的栅信号的示例时序图30。

在某些实施例中，处理器26可将栅信号提供给siigbt12和sicmosfet14，使得一个siigbt12将在任何给定时间与一个sicmosfet14串联。另外，处理器26可向siigbt12发送栅信号，以便使siigbt12以基本线路频率(例如60hz)进行切换，并且向sicmosfet14发送栅信号以便以更高频率(例如>1khz)进行切换，以同步预期ac电压输出波形。相应地，如图2所示，提供给siigbt12的栅信号(例如g1、g2、g3、g4)与提供给sicmosfet14的栅信号(例如g5、g6)相比不太频繁地变化。因此，ac电压输出40(参考波)可对应于预期正弦波，如图2所示。图2还示出载波42。载波42和ac电压输出40的相交一般形成矩形波形或脉宽调制(pwm)栅波形，该波形能够用来控制siigbt12和sicmosfet14。

鉴于以上所述，为了产生ac电压输出40，处理器26可协调提供给siigbt12和sicmosfet14的栅信号，使得一个siigbt12在任何给定时间与一个sicmosfet14共同电串联激活，并且相互串联地传导电流，如上所述。例如，参照图1，开关t1(例如siigbt12)和开关t5(例如sicmosfet14)可在某个时间间隔期间相互串联。为了确保仅一个siigbt12在给定时间与sicmosfet14串联(例如，一个siigbt12与simosfet14串联地传导电流)，处理器26可在关断一个siigbt12时移除(例如停止或中断)来自一个siigbt12的栅信号(例如在时间t1)，并且以短延迟(例如提供大约1μs的空载时间，其中igbt均关断，以避免潜在直通)向另一个siigbt12提供栅信号以接通另一siigbt12。在一个实施例中，处理器26可在ac电压输出40过零(在时间t1)时移除和提供相应栅信号。

但是，在从相应siigbt12移除栅信号并且siigbt关断或进入非传导状态时，与相应siigbt12串联耦合的对应sicmosfet14将已经关断。也就是说，对应sicmosfet14可比其对应siigbt12更快地处于非传导状态。因此，当移除对应siigbt12的栅信号时，siigbt12中的电流因sicmosfet14已经关断而已经为零。因此，按传统具有比sicmosfet更高的切换损耗的siigbt12在关断期间具有极少或者没有损耗。

按照同样的方式，当提供另一个siigbt12的栅信号以接通siigbt12时，对应sicmosfet14将不会接通，直到对应siigbt12完全导通并且处于完全传导(例如导通)状态。在这个时间(例如时间t1)，相应siigbt12中的电流仍然为零，直到跨siigbt12的电压几乎为零。因此，siigbt12中的接通损耗也为最小，从而引起极小或没有(例如零)切换损耗。

应当注意，通过使用上述混合转换器系统10，转换器系统比只使用sic功率电子装置的转换器系统更为有效。例如，图3示出条形图50，该条形图50比较只使用sic功率电子装置的二级转换器系统(例如条52)、只使用sic功率电子装置的三级转换器系统(例如条54)以及对应于图1的混合转换器系统10的三级混合转换器系统(例如条56)的能量损耗。

图3的图表50比较在只使用sic功率电子装置的二级转换器系统(例如条52)、只使用sic功率电子装置的三级转换器系统(例如条54)以及对应于用于1.5mw/4.16kv高速中压驱动器的图1的混合转换器系统10的三级混合转换器系统(例如条56)中发生的损耗。此外，在ac电压输出端子的有效切换频率大约为20khz。与图表50关联的模拟使用1.7kvsicmosfet作为sicmosfet14并且使用6.5kv/250asiigbt作为siigbt12，作为混合转换器系统10的部分。如图表50所示，混合系统10与全sic3级转换器相比具有总损耗的20%降低，同时还表示组件成本的降低。

鉴于以上所述，在一些实施例中，混合转换器系统10的siigbt12和sicmosfet14可按照不同方式定位。例如，图4示出相对于图1的混合转换器系统的实施例的三级混合转换器系统60(其切换模块18(包括sicmosfet14)和模块16(包括siigbt12)的位置)的示意图。与上述混合转换器系统10相似，混合转换器系统60还可表征为有源中性点钳位多级转换器。

在一个实施例中，混合转换器系统60可进行操作以使得与可按照大约基频(例如60hz)进行切换的siigbt12相比，sicmosfet14以基本周期的一半(例如30hz)进行切换。相应地，与图1的混合转换器系统相比，混合转换器系统60可具有针对切换损耗的相同有益效果。此外，与图1的混合转换器系统10相似，混合转换器系统60的控制系统可按照上述相似方式来协调提供给sicmosfet14和siigbt12的栅信号，以便限制当siigbt12调度成关断或接通时存在于siigbt12的电流量。

除了上述三级混合转换器系统10和三级混合转换器系统60之外，图5还示出五级混合转换器系统70，该五级混合转换器系统70也可用来将dc电压信号转换为ac电压信号。混合转换器系统70可包括上述混合转换器系统10的电路连同电容器72和附加sicmosfet模块18。

与上述混合转换器10相似，混合转换器70的siigbt12可被提供栅信号，使得它们以基频(例如60hz)进行切换。另一方面，sicmosfet4可被提供栅信号，以便使sicmosfet14更频繁地切换，从而引起更高切换频率(例如>1khz)。

在某些实施例中，混合转换器系统70的siigbt12的每个可具有近似为sicmosfet14的额定电压的两倍的额定电压。因此，低电压sicmosfet14可用来构建具有更高额定电压的转换器。这样，与只采用sicmosfet14或者只采用siigbt的转换器相比，混合转换器系统70可保持较低传导和切换损耗。例如，在五级转换器中，siigbt额定电压可以是sicmosfet额定电压的两倍。备选地，低电压sicmosfet能够串联连接，以取得更高电压。

本发明的技术效果包括将sic功率电子装置的低切换损耗有益效果与si功率电子装置的低传导损耗有益效果相结合，以提供用于把来自dc信号的电压转换成ac信号的有效转换器系统。此外，考虑与si功率电子装置相比、与sic功率电子装置关联的较高成本，当前所公开的实施例提供一种系统，该系统利用sic功率电子装置的有益效果，同时使系统中使用的sic功率电子装置的数量为最少。因此，与非混合转换器系统相比，本文所述的混合转换器系统提供更低成本和更好性能的备选方案。

本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。