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CN102347702B - 高效半桥直流到交流转换器 - Google Patents

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CN102347702B CN201110289348.3A CN201110289348A CN102347702B CN 102347702 B CN102347702 B CN 102347702B CN 201110289348 A CN201110289348 A CN 201110289348A CN 102347702 B CN102347702 B CN 102347702B
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Abstract

高效半桥直流到交流转换器。本发明涉及一种DC到AC转换器电路。具体地，本发明涉及一种用于将DC转换到AC电压的半桥逆变器。该半桥逆变器用于转换DC输入电压，以在输出端子处提供AC输出电压，包括：第一开关电路，连接到至少一个输入端子并且连接到该输出端子，并且被配置为在该输出端子处提供高电压电平或低电压电平；第二开关电路，连接到该输出端子，并且被配置为提供到中间电压电平的连接，该中间电压电平位于该高电压电平和该低电压电平之间；并且其中该第二开关电路进一步连接到该至少一个输入端子，以允许该第二开关电路在该输出端子处提供该高电压电平或该低电压电平。

Description

高效半桥直流到交流转换器
技术领域
本发明涉及一种用于将直流(DC)输入电压转换为交流(AC)输出电压的转换器电路。具体地，本发明涉及一种用于转换DC输入电压、以在它的输出端子处提供AC输出电压的半桥逆变器。
背景技术
最近，存在对于高效功率转换器的庞大需求，例如，以用作功率产生器中的太阳能逆变器，或者用作用于高速马达驱动器的或者用于不间断电源的功率转换器。同时，通过利用应用于高功率应用的标准硅BJT/MOS-FET/IGBT技术替换基于SiC MOS-FET或者JFET技术的电路来减小所述功率转换器的成本越来越重要。
一般地，存在几种在现有技术中已知的、采用MOS-FET/IGBT开关元件来改善功率转换器的整体功率效率的技术。
具体地，在Temesi，和Frisch，Michael于2009年9月4日发表在《欧洲功率电子学》上的“具有功率模块的NPC逆变器拓扑的优点”(“Advantagesof NPC Inverter Topologies with Power Modules”by Temesi，and Frisch，Michael，Power Electronics Europe，September 4，2009)中描述了具有MOS-FET/IGBT开关元件的高效功率转换器。具体地，这篇文献描述了一些基于NPC逆变器拓扑、而其它基于半桥拓扑的不同功率转换器电路。具体地，在图4中示出了所提出的半桥逆变器。
如图4所图示的，该半桥逆变器包括连接到DC+和连接到DC-输入端子的半桥开关级。通过使能该半桥开关级的上部IGBT，能够在输出端子OUT处提供正电压。通过使能该半桥开关级的下部IGBT，能够在输出端子OUT处提供负电压。
在使能该上部和该下部IGBT之间的过渡时段中，该输出端子可以被提供有来自中性(neutral)端子的中性电位，例如，提供有接地连接。经由两个IGBT和两个二极管来提供到该中性端子的连接。
由于该半桥开关级的设计，所以单个IGBT晶体管正在将输入端子连接到输出端子。据此，该设计的导通损耗比包括具有四个晶体管的开关级的NPC逆变器小。然而，用于连接该输入和该输出端子的单个晶体管需要较高的额定电压，该额定电压指定了该晶体管在非导通状态中的电压阻断能力。据此，高额定电压导致了对于开关性能的限制。
为了改善开关性能，已知提供了IGBT和MOS-FET的并联电路。具体地，可以配置IGBT和MOS-FET的并联电路，以将静态损耗分派到该IGBT并且将开关损耗分派到该MOS-FET。进一步，MOS-FET的快速开关速度有利于减小该开关损耗。从而，为了改善整体效率，可以将该MOS-FET设置为在低功率时段期间或者在过渡时段期间承载电流，并且可以将该IGBT设置为在高功率时段中承载大多数的负载。
据此，IGBT和MOS-FET的并联电路可以帮助改善所描述的半桥开关级的开关性能。然而，该并联电路也会被限制为与图4所示的该半桥一样的高额定电压；其中该必需的高额定电压对MOS-FET以及IGBT的开关性能引入负面影响。
总的来说，用于改善功率转换器的效率的已知技术不能按照令人满意的方式来满足高效半桥逆变器的需要。
发明内容
用于支撑本发明的目标是改善功率转换器的效率，具体地，是改善上面描述的半桥逆变器的效率。用于支撑本发明的进一步目标是降低相关于为了高效功率转换器所采用的技术的生产成本。
通过独立权利要求的主题来解决这些目标中的至少一个。本发明的有利实施例服从于从属权利要求。
本发明的一个实施例涉及一种用于转换DC输入电压、以在输出端子处提供AC输出电压的半桥逆变器，该半桥逆变器包括：第一开关电路和第二开关电路。该第一开关电路连接到至少一个输入端子并且连接到该输出端子，该第一开关电路被配置为在该输出端子处提供高电压电平或低电压电平。该第二开关电路连接到该输出端子，该第二开关电路被配置为提供到中间电压电平的连接，该中间电压电平位于该高电压电平和该低电压电平之间。该第二开关电路进一步连接到该至少一个输入端子，以允许该第二开关电路在该输出端子处提供该高电压电平或该低电压电平。
本发明的优点可以由利用不同的晶体管技术来实现用于通过该第二开关电路将该输入端子连接到该输出端子的附加导通路径而得到。通过本发明在该输入端子和该输出端子之间提供两条路径，每一条路径可以利用不同的晶体管来实现。因为可以为了不同的目的而优化不同的晶体管，所以利用不同晶体管来实现每一条路径可用于改善的功率效率。
此外，根据本发明的另一实施例，该第二开关电路进一步连接到中间电压电平端子，该中间电压电平端子被配置为提供该中间电压电平。该第二开关电路进一步包括：至少一个第三开关电路，其连接到该至少一个输入端子并且连接到至少一个内部节点，该第三开关电路被配置为从该至少一个输入端子向该至少一个内部节点提供该高电压电平或该低电压电平。该第二开关电路还进一步包括：至少一个第一开关元件，被配置为控制在该输出端子处提供来自该中间电压电平端子的该中间电压电平和来自该至少一个内部节点的该高电压电平或该低电压电平。
因此，本发明允许在该半桥逆变器提供高电压电平或低电压电平时段中间的时间段期间在输出端子处提供中间电压电平。借助于通过具有DC输入电压电平仅仅一半作为额定电压的开关元件来将该输出连接到中间电压电平端子，可以显著地减小该动态损耗。
此外，该两个连接路径中的每一个可被单独地开关。从而，可为了该两个开关电路中的一个实现延迟的/提早的开关。具体地，可以与该第一开关电路同时地接通该第二开关电路，并且相对于该第一开关电路具有延迟地关断该第二开关电路。这可以允许有利的修改，即与通过该第一开关电路的路径相比，较早地接通和较晚地关断通过该第二开关电路的路径。
通过推迟该开关信号的预定义信号跃迁(例如，通过在“关断”信号跃迁时引入静态延迟)来实现延迟电路。
根据本发明的另一实施例，该第二开关电路进一步包括：至少一个第一二极管，连接在该中间电压电平和该至少一个内部节点之间；并且其中该至少一个第一二极管被配置为阻断电流在该至少一个输入端子和该中间电压电平端子之间流动。
通过提供第一二极管以将该内部节点连接到该中间电压电平端子，即接地电位，该二极管可确定在两个半波时段中间的时间段期间在内部节点处的该电压电平。由此，需要在该第二开关电路中包括的晶体管的较低晶体管额定电压，例如对应于该DC输入电压电平的至少一半的额定电压。
此外，该二极管阻止电流在该输入端子和该中间电压电平端子之间流动，而不需要主动控制，由此减小了驱动器的复杂性。
根据本发明的另一实施例，该至少一个第三开关电路包括：金属氧化物半导体场效应晶体管，连接到该至少一个输入端子并且连接到该至少一个内部节点。
此外，根据本发明的另一实施例，该至少一个第一开关元件是绝缘栅双极晶体管。
根据本发明的另一实施例，该至少一个第三开关电路包括第二二极管和金属氧化物半导体场效应晶体管的串联电路。该第一开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管。
此外，根据本发明的另一实施例，该第一开关电路包括至少一个绝缘栅双极晶体管，并且该第二开关电路包括至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管。
与类似晶体管额定值的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)相比，绝缘栅双极晶体管(IGBT)受益于有利的低饱和电压VCE(sat)。
据此，在该第一开关电路中提供IGBT允许具有低导通损耗的该高电压电平或该低电压电平的开关，而在该第二开关电路中提供MOS-FET使得能够进行具有高速度的(并因此，具有减小的动态损耗的)第二导通路径的开关。
此外，根据本发明的另一实施例，该第二开关电路进一步包括至少一个逆阻式绝缘栅双极晶体管，用于与该至少一个第一二极管和该至少一个第一开关元件并联地连接该中间电压电平端子和该输出端子。
逆阻式绝缘栅双极晶体管(RBIGBT)允许经由该二极管和该第一开关元件来同时地开关该中间电压电平和该连接。
通过提供两个RBIGBT，可以减小由通过该二极管和该第一开关元件产生的该导通损耗。通过该二极管和该第一开关元件的连接包括两个PN结，而该RBIGBT只包括一个PN结。从而，该RBIGBT为减小的导通损耗做好准备，而该开关损耗由该二极管来确定。
此外，因为该RBIGBT只可以在零电压电平处被开关，所以在该RIGBT中将没有反向恢复电流，该反向恢复电流可以增加该开关损耗。
根据本发明的另一实施例，该第一开关电路包括发射极开关双极晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管的至少一个共发共基放大器，该至少一个共发共基放大器被连接在该至少一个输入端子和该输出端子之间，以用于在该输出端子处提供该高电压电平或该低电压电平。该第二开关电路进一步包括：至少一个第二开关元件，连接在该至少一个内部节点和该发射极开关双极晶体管的基极之间，以用于控制该至少一个共发共基放大器在该输出端子处的该高电压电平或该低电压电平的提供。
在本发明的实施例中，利用包括中性点开关电路(第二开关电路)的半桥逆变器来进一步改善采用发射极开关双极晶体管的有利的半桥设计，以允许比该半桥逆变器电路更快的DC+和DC-输入电压电平的开关。由此，进一步减小了该开关损耗。
此外，根据本发明的另一实施例，该至少一个第一开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管或者绝缘栅双极晶体管。该至少一个第三开关电路包括：金属氧化物半导体场效应晶体管或者绝缘栅双极晶体管，连接到该至少一个输入端子并且连接到该至少一个内部节点。该至少一个第二开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管。
据此，可以为了较快的开关速度而通过提供MOS-FET晶体管或者为了减小该导通损耗而通过提供IGBT晶体管，来选择性地优化该中性点开关电路(第二开关电路)的晶体管。
根据本发明的另一实施例，该半桥逆变器包括：两个输入端子，用于接收该高电压电平和该低电压电平以作为该DC输入电压，其中该两个输入端子中的每一个经由电容器而连接到该中间电压电平端子。
此外，根据本发明的另一实施例，该第一开关电路被配置为通过交替地开关在该两个输入端子之一和该输出端子之间的连接，来提供来自该高电压电平和该低电压电平的AC输出电压。
根据本发明的另一实施例，该第一开关电路包括至少一个晶体管，具有至少该DC输入电压电平的晶体管额定值；并且该第二开关电路包括：至少一个晶体管，具有与在该至少一个输入端子和该中间电压电平端子处的电压电平之间的差值对应的至少一电压电平的晶体管额定值。
通过实现在第一开关电路中包括的具有DC输入电压电平的额定电压电平的晶体管、和在第二开关电路中包括的具有比该DC输入电压更低的额定电压电平(例如，该DC输入电压电平至少一半)的晶体管，可以优化该第二开关电路的开关性能，并且降低开关损耗。
此外，根据本发明的另一实施例，该第一开关元件包括晶体管，具有与在该至少一个输入端子和该中间电压电平端子处的电压电平之间的差值对应的至少一电压电平的晶体管额定值。
根据本发明的另一实施例，用于本发明的该半桥逆变器的驱动方法包括以下步骤：接通该第一开关元件，并且在提供正半波或负半波的时段中维持该第一开关元件接通；接通该第三开关电路，以使得来自该至少一个输入端子的DC输入电压能够经由该第三开关电路和第一开关元件而导通到该输出端子；和接通该至少一个第二开关元件和该金属氧化物半导体场效应晶体管。
附图说明
为了更好的理解本发明，接下来将基于附图所示的实施例来解释本发明。对应部分被给出对应的附图标记和术语。此外，用于示出或者描述不同实施例的那些特征或者特征的组合自身就可以形成单独的发明性解决方案。现在，将参考附图、借助于示例来描述本发明，在所述附图中：
图1图示了根据本发明示范实施例的半桥逆变器电路的电路图；
图2图示了根据本发明另一示范实施例的半桥逆变器电路的电路图；
图3图示了根据本发明另一示范实施例的半桥逆变器电路的电路图；以及
图4图示了根据相关实施例的半桥逆变器电路的电路图。
具体实施方式
参考图1，示出了根据本发明示范实施例的半桥逆变器电路1000的电路图。例如，该半桥逆变器电路可以被用来将DC电压转换到AC电压。为了这个目的，该半桥逆变器1000包括输出端子1001，并且可通过至少一个输入端子1002、1004来向该半桥逆变器1000供应DC输入电压电平。
在图1所示的实施例中，该DC输入电压连接在DC+输入端子1002和DC-输入端子1004之间。此外，经由中间电压电平端子1003来提供中间电压电平。具体地，可将该中间电压电平端子1003连接到接地电压电平。据此，在端子1002和1003之间、以及端子1003和1004之间提供DC-输入电压电平一半的电位差。
换句话说，由于将该DC输入电压提供到输入端子1002和1004以及中间电压电平输入端子1003，所以通过使能该输入端子1002和该输出端子1001之间的连接，来使得该半桥逆变器电路能够开关对应于正半波的输出信号，并且通过使能该输入端子1004和该输出端子1001之间的连接，来使得该半桥逆变器电路能够开关对应于负半波的输出信号。
更具体地，该半桥逆变器电路1000包括半桥开关电路(第一开关电路)1100和中性点开关电路(第二开关电路)1200。
为了在该输出端子(AC)处相继地提供正半波和负半波，将该半桥开关电路配置为交替地将该输入端子1002和该输入端子1004连接到该输出端子1001。为了这个目的，该半桥开关电路1100包括用于连接该输入端子1002和该输出端子1001的绝缘栅双极晶体管(IGBT)1101和用于连接该输入端子1004和该输出端子1001的IGBT 1102。
具体地，该IGBT 1101和1102需要至少全DC输入电压电平的额定电压，其中该额定电压指定了该晶体管在非导通状态中的电压阻断能力。例如，为了在该输出端子处提供正半波，将该IGBT 1101设置为导通。在此时段期间，该IGBT 1102会看到该全DC输入电压，这是因为该DC+输入电压电平被提供到输出端子1001并且该IGBT 1102还被连接到具有DC-输入电压电平的该输入端子1004。据此，该IGBT 1102需要至少该全DC输入电压的额定电压。这也适用于该IGBT 1101。
为了在该输出端子1001处提供中间电压电平，即中性电压电平，该半桥逆变器1000进一步包括用于连接该中间电压电平端子1003与该输出端子1001的中性点开关电路1200。
更详细地，中性点开关电路1200提供在该中间电压电平端子1003和该输出端子1001之间的两个连接。通过晶体管1201和二极管1203的第一连接能够将电流从该中间电压电平端子1003导通到该输出端子1001。通过晶体管1202和二极管1204的第二连接能够将电流从输出端子1001导通到该中间电压电平端子1003。
该两个连接确保了半桥逆变器在无功功率处的操作。通过与第一开关电路的相应晶体管1101和1102同相地开关该两个晶体管1201和1202，续电流(freewheeling current)能够在该中间电压电平端子1003和该输出端子1001之间传播。
例如，在正半波期间，使能晶体管1201和1101，而与之同时，晶体管1202和1102完全无源。在提供该正半波的时间之后，关断该晶体管1101，同时将晶体管1201维持在导通状态中。维持晶体管1201导通使得续电流能够通过二极管1203和晶体管1201而从该中间电压电平端子1003流到该输出端子1001。将该晶体管1201保持在导通状态中，直到该输出端子1001的电压电平变成负的为止。
此外，在负半波期间，使能晶体管1202和1102，而与之同时，晶体管1201和1101完全无源。在提供该负半波的时间之后，关断该晶体管1102，同时将晶体管1202维持在导通状态中。维持晶体管1201导通使得续电流能够通过晶体管1202和二极管1204而从该输出端子1001流到该中间电压电平端子1003。将该晶体管保持在导通状态中，直到该输出1001的电压电平变成正的为止。该晶体管1201和1202可被作为绝缘栅双极晶体管(IGBT)来提供。
此外，该中性点开关电路1200包括到该输入端子1002和1004中的至少一个的附加连接。
如图1所示，该中性点开关电路1200包括至少一个第三开关电路1210和1220，其用于将内部节点1005和1006连接到该输入电压端子1002和1004之一。具体地，该内部节点1005是在该中间电压电平端子1003和该输出端子1001之间的用于连接该二极管1203和该晶体管1201的节点。另外，该节点1005还被第三开关电路1210连接到该输入端子1002。该内部节点1006是在该中间电压电平端子1003和该输出端子1001之间的用于连接该二极管1204和该晶体管1203的节点。另外，该节点1006还通过第三开关电路1220而附加地连接到该输入端子1004。
由于到该输入端子1002和1004的连接，所以该第三开关电路1210和1220能够通过可选的连接(即，经由到该输出端子1001的该中性点开关电路1200)来开关提供在输入端子1002或1004处的输入电压。
据此，该中性点开关电路1200在该输出端子1001处不但能够提供中间电压电平，而且能够提供高电压电平和/或低电压电平。在这方面，该中性点开关电路接下来被称为第二开关电路1200。
如图1所图示的，该第三开关电路1210包括晶体管1211，并且该第三开关电路1220包括晶体管1221。该晶体管1211和1221可被作为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)来提供。通过使能这两个晶体管1211和1201，在该输入端子1002和该输出端子1001之间提供连接，类似地，通过使能这两个晶体管1221和1202，在该输入端子1004和该输出端子1001之间提供了连接。
另外，二极管1203和1204阻止电流在该输入端子1002和1004中的每一个与该中间电压电平端子1003之间流动。例如，当使能该两个晶体管1211和1201时，内部节点1005位于高电压电平。从而，正在将该内部节点1005连接到该中间电压电平端子1003的该二极管1203被反向偏置，从而阻止电流从该内部节点1005流到该中间电压电平端子1003。按照类似的方式，该二极管1204阻止电流从该中间电压电平端子1003流到该输入端子1004。
仅仅需要针对该DC输入电压电平至少一半的额定电压来指定该晶体管1211和1201以及晶体管1202和1221，该额定电压定义了每一个晶体管在非导通状态中的电压阻断能力。当该晶体管1211和1201以及晶体管1202和1221被设置为非导通时，该内部节点1005和1006被维持在大约该中间电压电平的电压电平。与该输出端子1001处的电压电平无关，晶体管1211、1201和1202、1221中的每一个只经受低于全DC输入电压的电压电平，即该DC+或该DC-电压电平与该中间电压电平的差值。
据此，该晶体管1201、1202、1221和1221只需要该DC输入电压电平至少一半的额定电压。相反，该半桥开关级的IGBT 1101和1102需要针对至少该全DC输入电压电平的额定电压来被指定。
从而，可以通过两个并联连接(通过晶体管1101或者晶体管1102的(具有高额定电压的)第一连接和通过相应的晶体管1201和1211或者晶体管1202和1221的(具有低额定电压的)第二连接)来提供高电压电平或低电压电平。
接下来，将描述用于提供正半波和随后的负半波的图1的半桥逆变器的示范开关周期。
为了输出正半波，在输出端子1001处提供该DC+输入电压电平。为了这个目的，图1所示的该半桥逆变器电路使能两个并联连接，通过IGBT 1101的第一连接和通过MOS-FET 1211和IGBT 1201的第二连接。
具体地，该MOS-FET 1211具有较低的额定电压，并因此，开关得更快，从而该接通损耗主要分派到该MOS-FET 1211。在该正半波期间，连续地接通MOS-FET 1201。
由于与通过IGBT 1201和MOS-FET 1211的连接相比、IGBT 1101的低得多的饱和电压VCE(sat)，所以在小延迟的情况下，该IGBT 1101接管了到该输出端子1001的导通电流。据此，该静态损耗被分派到该IGBT 1101。
为了关断用于在该输出端子1001处提供高电压电平的连接，该IGBT1101被首先设置到非导通状态，从而通过IGBT 1201和MOS-FET 1211的连接将接管该电流，并且随后，将至少该MOS-FET 1211关断。
为了提供到该中间电压电平端子1003的连接，在该IGBT 1101被禁用之后，将该IGBT 1201维持在导通状态中，直到该输出端子处的电压电平变为负的为止。
为了输出负半波，在输出端子1001处提供该DC-输入电压电平。为了这个目的，图1所示的该半桥逆变器电路使能两个并联连接，通过IGBT 1102的第一连接和通过IGBT 1202和MOS-FET 1221的第二连接。
具体地，MOS-FET 1221具有较低的额定电压，并因此，开关得更快，该接通损耗被主要分派到该MOS-FET 1221。在该负半波期间，连续地接通MOS-FET 1202。由于与通过IGBT 1202和MOS-FET 1221的连接相比、IGBT1102的低得多的饱和电压VCE(sat)，所以在小延迟的情况下，该IGBT 1102将接管到该输出终端1001的导通电流。据此，该静态损耗被分派到该IGBT1102。
为了关断用于在该输出终端1001处提供低电压电平的连接，该IGBT1102被首先设置到非导通状态，从而通过IGBT 1202和MOS-FET 1221的连接将接管该电流，并且随后，将至少该MOS-FET 1221关断。
为了提供到该中间电压电平端子1003的连接，至少该MOS-FET 1201被设置为导通。
因此，类似于采用基于SiC MOS-FET/JFET的电路的转换器，如图1所示的该半桥逆变器是高效的。但是，如图1所示的该半桥逆变器利用扩展到高功率电平的低成本的标准Si MOS-FET/IGBT电路来获得高效率。
具体地，该优点源自于经由IGBT和MOS-FET的两个连接的并联开关，该MOS-FET的额定电压大约是该IGBT的该额定电压的一半。通过并联具有低饱和电压的单个高电压IGBT与快速开关组件(即，该MOS-FET 1211或1221)，开关损耗和静态损耗可被分派到有效晶体管路径。具体地，通过该单个高电压IGBT的连接只有一个用于使电流流过的PN结，这将导通损耗减少到最小。
此外，该IGBT 1201和1202仅仅需要以低频率(即，该输出信号的频率，例如50Hz)来进行开关。
现在参考图2，图示了根据本发明另一示范实施例的该半桥逆变器的电路图。
图2的该半桥逆变器包括半桥开关电路1100和第二开关电路1200。
此外，该输入端子1002和1004中的每一个经由电容器而连接到该中间电压电平端子1003。据此，该半桥开关电路不依赖于如有关图1的实施例中一样的外部供应的中间电压电平。可选地，该端子1003仍可以连接到外部中性点或者接地电位，以便提供具有与中性电压电平对应的中间电压电平的AC电压。
相较于图1，该图2的该半桥逆变器进一步包括修改的第二开关电路2200。
当在无功功率处开关该中间电压电平期间，在图1所图示的实施例中，续电流流过两个PN结，即该MOS-FET的PN结和该二极管的PN结。为了减小导通损耗，根据图2所示的实施例的该半桥逆变器提供两个逆阻式绝缘栅双极晶体管(RBIGBT)2205，以用于旁路在该输出端子1001和该中间电压电平端子1003之间的续电流。
据此，该第二开关电路2200包括与至少一个第一二极管1203、1204和至少一个第一开关元件1201、1202并联的至少一个RBIGBT，其用于连接该中间电压电平端子1003和该输出端子1001。具体地，两个RBIGBT 2205正在连接该中间电压端子和该输出端子，这使得续电流能够在任一方向中流动。
据此，为了提供该中间电压电平，与通过第一二极管1203、1204以及第一开关元件1201和1202的连接并联地开关该两个RBIGBT 2205。由此，导通损耗被主要分派到所述RBIGBT 2205。通过二极管1203、1204和第一开关元件1201、1202的连接具有两个PN结，而RBIGBT仅仅只有一个PN结。据此，通过使能两个并联的连接，利用RBIGBT 2205的低饱和电压来确定该导通损耗，并且将该开关损耗分派到该二极管1203或1204。
此外，因为所述RBIGBT 2205仅仅可以在零电压电平处进行开关，所以在RIGBT中将不存在反向恢复电流，这抑制了该开关损耗的进一步增加。
另外，图2所图示的实施例将该第一开关元件1201或1202实现为金属氧化物半导体场效应晶体管。由此，可以保证该中间电压电平的快速开关，这也导致了在无功负载处的高效开关性能。
如图2所示，将该第三开关电路2210、2220中的每一个实现为第二二极管2212、2222和MOS-FET 1211、1221的串联电路。与该MOS-FET 1211、1221串联的这种二极管2212、2222将避免在无功功率时的通过该MOS-FET1211、1221的反向电流，该反向电流可能会导致在该MOS-FET 1211、1221接通时的反向恢复损耗。
现在参考图3，示出了根据本发明另一示范实施例的半桥逆变器3000的电路图。
如图3所示的该半桥逆变器3000包括使用发射极开关双极晶体管的半桥开关电路(第一开关电路)3100。具体来说，向该半桥开关电路3100提供共发共基放大器(cascode)，该共发共基放大器由在该至少一个输入端子1002、1004和该输出端子1001之间连接的双极结晶体管3111或3121、(其也被称作发射极开关双极晶体管)与MOS-FET 3112或3122形成。可选地，可以采用发射极开关双极晶体管的单片电路(monolithic)设计。该发射极开关双极晶体管中的每一个都需要至少该全DC输入电压电平的额定电压。
图3所示的示范实施例的该半桥开关电路3100采用两个共发共基放大器电路，其中每一个都具有双极结晶体管3111或3121和MOS-FET 3112或3122。由双极结晶体管3111和MOS-FET 3112形成的该第一共发共基放大器被连接在输入端子1002和该输出端子1001之间，以在该输出端子处提供高电压电平。由双极结晶体管3121和MOS-FET 3122形成的该第二共发共基放大器被连接在输入端子1004和该输出端子1001之间，以在该输出端子处提供低电压电平。
具体地，发射极开关双极晶体管组合了高额定电压、低饱和电压VCE(sat)与快速的开关速度的优点，该开关速度与MOS-FET晶体管的开关速度相当。据此，通过采用发射极开关双极晶体管，可以减小该半桥开关电路的功耗。
具体地，该发射极开关双极晶体管的低饱和电压VCE(sat)导致静态损耗的减小。另外，该发射极开关双极晶体管的较快开关速度导致有关动态/开关损耗的改善。
在本发明中，通过使该半桥逆变器包括中性点开关电路(第二开关电路)3200、以允许比该半桥逆变器电路3100独自进行的开关更快的DC+和DC-输入电压电平的开关，进一步改善了使用该发射极开关双极晶体管的半桥设计。由此，开关损耗被进一步减小。
该中性点开关电路3200除了包括通过该半桥开关电路3100提供的连接之外，还包括在该输入端子1002和1004中的至少一个与该输出端子1001之间的连接。具体地，该中性点开关电路3200包括至少一个第三开关电路1210和1220，其将内部节点1005和1006连接到该输入端子1002和1003之一。具体地，该内部节点1005是用于连接该二极管1203和晶体管2201的节点，该内部节点1005还经由该第三开关电路1210而连接到该输入端子1002。该内部节点1006是用于连接该二极管1204和该晶体管2202的节点，其中内部节点1006还经由该第三开关电路1220而连接到该输入端子1004。
该输入端子1002的正电压电平可以通过该第三开关电路1210而提供到该内部节点1005，并且进一步通过晶体管2201而转送到该输出端子1001。类似地，该输入端子1004的负电压电平可以通过该第三开关电路1220而提供到该内部节点1006，并且进一步通过晶体管2202而转送到该输出端子1001。
在这个实施例中，将该第三开关电路1210和1220中的每一个都图示为采用MOS-FET，即晶体管1211和1221。然而，该第三开关电路1210和1220的晶体管中的一些也可实现为IGBT。这也适用于同样包括在该中性点开关电路3200中的至少一个第一开关元件2201、2202。
在图3所示的示范实施例中，该中性点开关电路3200包括至少一个第二开关元件3201和3202，其用来控制该半桥开关电路3100的至少一个双极结晶体管3111和3121中的相应一个的基极。据此，通过用于控制双极结晶体管3111和3121的开关元件3201和3202，可以使得该双极结晶体管3111、3121能够提供高电压电平和低电压电平。
具体地，该第二开关元件3201被连接在该中间节点1005和该双极结晶体管3111的基极之间，以用于将该内部节点105的高电压电平提供到双极结晶体管3111的基极。类似地，该晶体管3202连接在该中间节点1006和双极结晶体管3121的基极之间，以用于将该内部节点1006的低电压电平提供到双极结晶体管3121的基极。
此外，类似于第一实施例的该中性点开关电路1200，该中性点开关电路(第二开关电路)3200包括在该中间电压电平端子1003和该输出端子1001之间的两个连接。该第一连接经由第一开关元件2201和二极管1203来提供，以用于对该输出端子的负电压电平进行放电。该第二连接经由第一开关元件2202和二极管1204来提供，以用于对该输出端子的正电压电平进行放电。
该中性点开关电路(第二开关电路)3200提供在该至少一个输入端子1002和1004与该输出端子1001之间的多个连接。第一连接经由该至少一个第三开关电路1210和1220以及该至少一个第一开关元件2201和2202来提供——这类似于第一和第二实施例的电路。此外，提供了不同的连接，以用于承载该至少一个发射极开关双极晶体管3111和3121的该基极电流，即经由开关元件1211、3201、3111和3112或者经由开关元件2202、3202、3121和3122来承载该基极电流。
为了提供正半波，在该输出端子1001处提供该DC+输入电压电平。为了这个目的，如图3所示，该半桥逆变器电路使能三个不同的连接，即经由开关元件1211和2201的第一连接、经由开关元件1211、3201、3111和3112的第二连接、和经由MOS-FET 3112和双极结晶体管3111的最后连接。
具体地，在三个步骤中执行用于提供该正半波的接通控制序列：
a)接通该开关元件2201，并且在提供该正半波的时段中将它维持接通；结果，该输出端子1001维持在该中间电压电平；
b)接通该开关元件1211，该开关元件1211将使得来自该输入端子1002的DC+电压电平能够经由开关元件2201和开关元件1211而导通到该输出端子1001；结果，该输出端子1001位于高电压电平；
c)接通该开关元件3201和该开关元件3112；结果，双极结晶体管3111也接通。
此外，在以下两个步骤中执行用于从正半波切换到中间电压电平的关断控制序列：
a)关断该开关元件3112和该开关元件3201；结果，电流正在从双极结晶体管3111的基极并且在相反方向中通过开关元件3201并通过开关元件2201而流动，双极结晶体管3111将关断，并且该电流被该开关元件1211和2201接管；
b)在等待大约100ns的延迟之后，关断该开关元件1211；结果，在该输出端子1001处的电压电平降至该中间电压电平，即降至接地电位。
如在上面描述的步骤(a)中的开关元件3201的切断时间点不需要与开关元件3112的切断时间点一致，而是也可以稍后发生。该开关元件3201的稍后切断允许该输出信号波形的主动纠正。不过，该开关元件3201必须在关断控制序列的步骤(b)之前被切断。
当在正半波与负半波之间的改变时，关断用于提供高电压电平的该开关元件，即开关元件1211、2201、3201、3112。其后，为了提供该低电压电平，经由开关元件2202、1221、3202、3122来执行该输出电压的调制。当输出电压(而不是输出电流)在正/负电压电平之间改变的时间点处，触发开关元件2201在使能和禁用之间的改变和开关元件2202在禁用和使能之间的改变。
从用于驱动无功负载的(并因此，在无功功率处(即，当电压和电流具有不同极性时)操作的)半桥逆变器得出特殊的情况。在该输出电压在正和负之间改变的过渡时段中，仅仅使能该两个开关元件2201和2202之一，即对应于电流方向的那一个开关元件。其后，在无功功率处的电流流动可以通过该中间输入端子1003和该输出端子1001之间的两个连接之一而流动，即经由二极管1203和开关元件2201或者经由二极管1204和开关元件2202而流动。
为了提供负半波，在该输出端子1001处提供该DC-输入电压电平。为了这个目的，如图3所示，该半桥逆变器电路使能三个不同的连接，即经由开关元件1221和2202的第一连接、经由开关元件2202、3202、3121和3122的第二连接、和经由MOS-FET 3122和双极结晶体管3121的最后连接。
具体地，在三个步骤中执行用于提供该负半波的接通控制序列：
a)接通该开关元件2202，并且在提供该负半波的时段中将它维持接通；结果，该输出端子1001维持在该中间电压电平；
b)接通该开关元件1221，该开关元件1221将使得来自该输入端子1004的DC-电压电平能够经由开关元件1221和开关元件2202而导通到该输出端子1001；结果，该输出端子1001位于高电压电平；
c)接通该开关元件3202和该开关元件3122；结果，双极结晶体管3121也接通。
此外，在以下两个步骤中执行用于从负半波切换到中间电压电平的关断控制序列：
a)关断该开关元件3122和该开关元件3202；结果，电流正在从双极结晶体管3121的基极、在相反方向中通过开关元件3202并通过开关元件1221而流动，双极结晶体管3121将关断，并且该电流被该开关元件2202和1221接管。
b)在等待大约100ns的延迟之后，关断该开关元件1221；结果，在该输出端子1001处的电压电平降至该中间电压电平，即降至接地电位。
如在上面描述的步骤(a)中的开关元件3202的切断时间点不需要与开关元件3222的切断时间点一致，而是也可以稍后发生。该开关元件3202的稍后切断允许该输出信号波形的主动纠正。不过，该开关元件3202必须在关断控制序列的步骤(b)之前被切断。
此外，在图3中示出了具有两个附加的二极管3001和3002的半桥逆变器电路3200，一个二极管3001被反向偏置地连接在该输入端子1002和该输出端子1001之间，而另一二极管3002被反向偏置地连接在该输出端子1001和该输入端子1004之间。
当该半桥逆变器电路正驱动实际负载时，没有电路流过两个二极管3001和3002中的任一个。然而，在无功功率处，该两个二极管3001和3002允许续电流在与产生于该输出端子1001处的电位相反的方向中流动。
另外，如图3所示，该半桥逆变器电路3200提供两个齐纳(Zener)二极管3203和3204，以用于保护相应的发射极开关双极晶体管3111和3121。
具体地，齐纳二极管3203被反向偏置地连接在该双极结晶体管3111的基极和该输出端子1001之间。据此，如果晶体管3201提供到该双极结晶体管3111的基极的电位超过预定义的齐纳二极管3203的击穿电压，则击穿电流从晶体管3201流动到该输出端子1001。当关断该双极结晶体管3111时，该齐纳二极管3203将并联导通路径提供到该双极结晶体管3111的发射极-基极或者发射极-集电极结，例如以在无功负载处保护该双极结晶体管3111。
此外，齐纳二极管3204被反向偏置地连接在该双极结晶体管3121的基极和该输出端子1001之间。据此，如果晶体管3202提供到该双极结晶体管3111的基极的电位超过预定义的齐纳二极管3204的击穿电压，则击穿电流从晶体管3202流动到该输入端子1004。当关断该双极结晶体管3121时，该齐纳二极管3204将并联导通路径提供到该双极结晶体管3121的发射极-基极或者发射极-集电极结，例如以在无功负载处保护该双极结晶体管3121。
尽管没有在图1和图2中示出该二极管3001和3002，但是它们也可被有利地采用在第一和第二实施例中。
如根据上面提供的本发明各种实施例的描述而明显的，类似于采用基于SiC MOS-FET/JFET的电路的转换器，本发明的该半桥逆变器是高效的。但是，本发明的该半桥逆变器利用扩展到高功率电平的低成本的标准SiMOS-FET/IGBT/BJT电路来获得高效率。
本发明的该半桥逆变器的高效率是从IGBT或发射极开关双极晶体管与MOS-FET的并联开关而得来的，该MOS-FET仅仅具有该IGBT额定电压的一半。通过并联具有低饱和电压的单个高电压IGBT与快速第二开关电路(即，MOS-FET的快速第二开关电路)，该开关损耗和该静态/导通损耗可被分派到有效晶体管路径。具体地，通过该单个高电压IGBT的连接只具有一个用于使电流流过的PN结，这将导通损耗减少到最小。可选地，发射极开关双极晶体管为低饱和电压VCE(sat)做好准备。结合具有较高开关速度的并联的第二开关电路，该开关损耗和该静态/导通损耗可以被分派到更加有效的晶体管路径。据此，同样利用发射极开关双极晶体管设计，可以减小整体功耗。

Claims (15)

1.一种用于转换DC输入电压、以在输出端子(1001)处提供AC输出电压的半桥逆变器，该半桥逆变器包括：
第一开关电路(1100)，连接到至少一个输入端子(1002、1004)并且连接到该输出端子(1001)，该第一开关电路(1100)被配置为在该输出端子(1001)处提供高电压电平或低电压电平；
第二开关电路(1200)，连接到该输出端子(1001)，该第二开关电路(1200)被配置为提供到中间电压电平的连接，该中间电压电平位于该高电压电平和该低电压电平之间；并且其中：
该第二开关电路(1200)进一步连接到与第一开关电路(1100)连接的至少一个输入端子(1002、1004)中的输入端子，以允许该第二开关电路(1200)在该输出端子(1001)处提供该高电压电平或该低电压电平。
2.根据权利要求1的半桥逆变器，其中该第二开关电路(1200)进一步连接到中间电压电平端子(1003)，该中间电压电平端子(1003)被配置为提供该中间电压电平；并且
其中该第二开关电路(1200)进一步包括：
至少一个第三开关电路(1210、1220)，连接到该至少一个输入端子(1002、1004)并且连接到至少一个内部节点(1005，1006)，该第三开关电路(1210、1220)被配置为从该至少一个输入端子(1002、1004)向该至少一个内部节点(1005、1006)提供该高电压电平或该低电压电平，以及
至少一个第一开关元件(1201、1202；2201、2202)，被配置为控制在该输出端子(1001)处提供来自该中间电压电平端子(1003)的该中间电压电平以及来自该至少一个内部节点(1005、1006)的该高电压电平或该低电压电平。
3.根据权利要求2的半桥逆变器，该第二开关电路(1200)进一步包括：至少一个第一二极管(1203、1204)，连接在该中间电压电平端子(1203)和该至少一个内部节点(1005、1006)之间，该至少一个第一二极管(1203、1204)被配置为阻断电流在该至少一个输入端子(1002、1004)和该中间电压电平端子(1003)之间流动。
4.根据权利要求2的半桥逆变器，其中该至少一个第三开关电路(1210、1220)包括：金属氧化物半导体场效应晶体管(1211、1221)，连接到该至少一个输入端子并且连接到该至少一个内部节点(1005、1006)。
5.根据权利要求2的半桥逆变器，其中该至少一个第一开关元件(1201、1202；2201、2202)是绝缘栅双极晶体管。
6.根据权利要求2的半桥逆变器，其中该至少一个第三开关电路(1210、1220)包括第二二极管(2212、2222)和金属氧化物半导体场效应晶体管(1211、1221)的串联电路，并且其中该第一开关元件(1201、1202；2201、2202)是金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.根据权利要求1的半桥逆变器，其中该第一开关电路(1100)包括至少一个绝缘栅双极晶体管(1101、1102)，并且该第二开关电路包括至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管(1211、1221)。
8.根据权利要求3的半桥逆变器，该第二开关电路(1200)进一步包括：至少一个逆阻式绝缘栅双极晶体管(2205)，用于与该至少一个第一二极管(1203、1204)和该至少一个第一开关元件(1201、1202；2201、2202)并联地连接该中间电压电平端子(1003)和该输出端子(1001)。
9.根据权利要求2至3中任一项的半桥逆变器，其中该第一开关电路(1100)包括发射极开关双极晶体管(3111、3121)和金属氧化物半导体场效应晶体管(3112、3122)的至少一个共发共基放大器，该至少一个共发共基放大器被连接在该至少一个输入端子(1002、1004)和该输出端子之间，以用于在该输出端子(1001)处提供该高电压电平或该低电压电平；并且
其中该第二开关电路(1200)进一步包括：至少一个第二开关元件(3201、3202)，连接在该至少一个内部节点(1005、1006)和该发射极开关双极晶体管(3111、3121)的基极之间，以用于控制该至少一个共发共基放大器在该输出端子(1001)处的该高电压电平或该低电压电平的提供。
10.根据权利要求9的半桥逆变器，其中：
该至少一个第一开关元件(1201、1202；2201、2202)是金属氧化物半导体场效应晶体管或者绝缘栅双极晶体管，
该至少一个第三开关电路(1210、1220)包括：金属氧化物半导体场效应或者绝缘栅双极晶体管(1211、1221)，连接到该至少一个输入端子并且连接到该至少一个内部节点(1005、1006)，并且
该至少一个第二开关元件(3201、3202)是金属氧化物半导体场效应晶体管。
11.根据权利要求2的半桥逆变器，该半桥逆变器包括：两个输入端子(1002、1004)，用于接收该高电压电平和该低电压电平以作为该DC输入电压，其中该两个输入端子(1002、1004)中的每一个经由电容器而连接到该中间电压电平端子(1003)。
12.根据权利要求11的半桥逆变器，其中该第一开关电路(1100)被配置为通过交替地开关在该两个输入端子(1002、1004)之一和该输出端子(1001)之间的连接，来提供来自该高电压电平和该低电压电平的AC输出电压。
13.根据权利要求1的半桥逆变器，其中该第一开关电路(1100)包括：至少一个晶体管(1101、1102)，具有至少该DC输入电压电平的晶体管额定值；并且该第二开关电路(1200)包括：至少一个晶体管(1211、1221)，具有与在该至少一个输入端子(1002、1004)和该中间电压电平端子(1003)处的电压电平之间的差值对应的至少一电压电平的晶体管额定值。
14.根据权利要求2的半桥逆变器，其中该第一开关元件(1201、1202；2201、2202)包括：晶体管(1101、1102；1201、1202)，具有与在该至少一个输入端子(1002、1004)处的和在该中间电压电平端子(1003)处的电压电平之间的差值对应的至少一电压电平的晶体管额定值。
15.一种用于根据权利要求9和10中任一项的半桥逆变器的驱动方法，包括以下步骤：
a)接通该第一开关元件(1201、1202；2201、2202)，并且在提供正半波或负半波的时段中维持该第一开关元件(1201、1202；2201、2202)接通；
b)接通该第三开关电路(1210、1220)，以使得来自该至少一个输入端子(1002、1004)的DC输入电压能够经由该第三开关电路(1210、1220)和第一开关元件(1201、1202；2201、2202)而导通到该输出端子(1001)；
c)接通该至少一个第二开关元件(3201、3202)和该金属氧化物半导体场效应晶体管(3112、3122)。
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