Полупроводниковое устройство преобразования энергии Российский патент 2017 года по МПК H02M7/48 H02M7/527 H02M7/53846 H02P27/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к полупроводниковому устройству преобразования энергии и способу управления выходным током с улучшенной стойкостью к тепловому циклу.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В уровне техники полупроводниковое устройство преобразования энергии, когда необходимо, изменяет выходное напряжение во время функционирования для его исходной цели преобразования. Вследствие чего амплитуда выходного тока также изменяется в соответствии с изменением выходного напряжения. Поскольку температура полупроводниковых приборов, которые составляют полупроводниковое устройство преобразования энергии, также изменяется из-за изменения выходного тока, то, если ток изменяется значительно и часто, полупроводниковые приборы деградируют из-за теплового цикла (цикл питания/цикл нагрева).

В качестве способа подавления теплового цикла, например, в Патентном документе 1, указанном ниже, раскрывается технология, в которой увеличение сопротивления затвора полупроводникового прибора и понижение напряжения на его затворе повышает выход из строя полупроводникового прибора и его температуру. Патентный документ 2, указанный ниже, раскрывает технологию, в которой наращивание частоты переключения увеличивает выход из строя полупроводникового прибора. Дополнительно Патентный документ 3, указанный ниже, раскрывает технологию, в которой остановка действия внешнего охлаждения повышает температуру полупроводникового прибора.

СПИСОК ССЫЛОК

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

Патентный документ 1: Выложенная заявка на японский патент под № 2003-7934

Патентный документ 2: Выложенная заявка на японский патент под № 2002-125362

Патентный документ 3: Выложенная заявка на японский патент под № 2001-298964

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

Однако вышеописанные решения уровня техники могут увеличивать выход из строя в ограниченном диапазоне. Если полупроводниковое устройство преобразования энергии выдает значение выходного тока, которое довольно мало, выход из строя при стабилизации температуры не происходит настолько достаточно, что функционирование эффективно.

Настоящее изобретение было разработано для решения вышеуказанных проблем, и задачей настоящего изобретения является обеспечение полупроводникового устройства преобразования энергии и способа управления выходным током, при котором значение выходного тока из полупроводникового устройства преобразования энергии на нагрузку может быть управляемым для попадания в определенное значение.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

Решением проблем и достижением вышеуказанной задачи настоящего изобретения является полупроводниковое устройство преобразования энергии, которое включает в себя: преобразователь энергии, который выполняет преобразование энергии с использованием коммутирующего элемента и подает питание на нагрузку; блок вычисления команд управления напряжением преобразователя выдает первое значение команды управления напряжением, которое управляет преобразователем энергии; блок управления напряжением, который накладывает второе значение команды управления напряжением на первое значение команды управления напряжением для генерации третьего значения команды управления напряжением; блок генерации широтно-импульсно-модулированного сигнала (ШИМ-сигнала), который генерирует стробирующий сигнал для управления приведением в действие коммутирующего элемента на основании третьего значения команды управления напряжением и выдает стробирующий сигнал на преобразователь энергии; шунтирующий блок, который подключается к преобразователю энергии параллельно с нагрузкой и отводит ток с частотой второго значения команды управления напряжением от выходного тока, который выдается из преобразователя энергии на нагрузку.

ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Полупроводниковое устройство преобразования энергии и способ управления выходным током в соответствии с настоящим изобретением могут эффективно раздельно управлять значением выходного тока на нагрузку и значением выходного тока на шунтирующий блок из данного полупроводникового устройства преобразования энергии, придавая им определенное значение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации полупроводникового устройства преобразования энергии в соответствии с первым вариантом реализации.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую процесс управления выходным током в полупроводниковом устройстве преобразования энергии.

Фиг. 3 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока управления напряжением в соответствии с первым вариантом реализации.

Фиг. 4 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую характеристики полного сопротивления шунтирующего блока.

Фиг. 5 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации шунтирующего блока.

Фиг. 6 представляет собой схему, иллюстрирующую как выходной ток Iout выдается из полупроводникового устройства преобразования энергии и как протекание тока на нагрузку и шунтирующий блок происходит в первом варианте реализации.

Фиг. 7 представляет собой схему, иллюстрирующую как выходной ток Iout выдается из полупроводникового устройства преобразования энергии и как протекание тока на нагрузку и шунтирующий блок происходит во втором варианте реализации.

Фиг. 8 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока управления напряжением в соответствии с третьим вариантом реализации.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

Примерные варианты реализации полупроводникового устройства преобразования энергии и способ управления выходным током в соответствии с настоящим изобретением будут описаны ниже подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи. Настоящее изобретение не ограничивается этими вариантами реализации.

ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ

Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации полупроводникового устройства преобразования энергии в соответствии с настоящим вариантом реализации. Полупроводниковое устройство преобразования энергии включает в себя блок 1 вычисления команд управления напряжением преобразователя, блок 2 управления напряжением, блок 3 генерации ШИМ-сигнала (сигнала широтно-импульсной модуляции), полупроводниковый преобразователь 4 энергии, нагрузку 5, шунтирующий блок 6 и блок обнаружения тока 7.

Блок 1 вычисления команд управления напряжением преобразователя вычисляет значение Vref команды управления напряжением (первое значение команды управления напряжением), которое управляет функционированием полупроводникового преобразователя 4, к которому подключается нагрузка 5, и выдает значение Vref команды управления напряжением на блок 2 управления напряжением. Эта конфигурация идентична конфигурациям традиционных технологий.

Блок 2 управления напряжением осуществляет управление наложением напряжения в определенной полосе частот (второе значение команды управления напряжением) на значение Vref команды управления напряжением, поданной от блока 1 вычисления команд управления напряжением преобразователя, чтобы управлять выходным током Iout из полупроводникового преобразователя 4, обнаруженным блоком 7 обнаружения тока, до конкретного значения. Блок 2 управления напряжением накладывает напряжение в определенном диапазоне частот на значение Vref команды управления напряжением для генерации значения Vref2 команды управления напряжением (третье значение команды управления напряжением) и выдает значение Vref2 команды управления напряжением на блок 3 генерации ШИМ-сигнала.

Блок 3 генерации ШИМ-сигнала генерирует стробирующий сигнал для управления приведением в действие коммутирующего элемента, предусмотренного в полупроводниковом преобразователе 4 в соответствии со значением Vref команды управления напряжением, поданным из блока 2 управления напряжением, и выдает стробирующий сигнал на полупроводниковый преобразователь 4 энергии. Эта конфигурация идентична конфигурациям традиционных технологий.

Полупроводниковый преобразователь 4 энергии включает в себя конденсатор 41, коммутирующие элементы 42-1 - 42-6 и диоды 43-1 - 43-6. Полупроводниковый преобразователь 4 энергии приводит в действие коммутирующие элементы 42-1 - 42-6 в соответствии со стробирующим сигналом из блока 3 генерации ШИМ-сигнала для преобразования питания постоянного тока, поданного из источника питания постоянным током (не показан), в питание переменного тока, и выдает питание переменного тока на нагрузку 5. Эта конфигурация идентична конфигурациям традиционных технологий.

Нагрузка 5 функционирует при подаче питания постоянного тока, выданного из полупроводникового преобразователя 4. Нагрузка 5 включает в себя, например, двигатель и т.п., но не ограничивается этим.

Шунтирующий блок 6 подключается к полупроводниковому преобразователю 4 параллельно с нагрузкой 5 и ответвляет ток частоты наложения (частоты второго значения команды управления напряжением), накладываемой составляющей, которая представляет собой напряжение, накладываемое посредством блока 2 управления напряжением, от выходного тока Iout, выданного из полупроводникового преобразователя 4 на нагрузку 5. Шунтирующий блок 6 может включать в себя, например, LC резонансный контур.

Блок обнаружения тока 7 обнаруживает значение тока выходного тока Iout, выданного из полупроводникового преобразователя 4 на нагрузку 5, и выдает значение Iout обнаруженного выходного тока на блок 2 управления напряжением. Следует отметить, что значение Iout может быть использовано или для выходного тока, или для величины выходного тока, и которое подобно применяется к следующим описаниям.

Описанное далее является действиями полупроводникового устройства преобразования энергии для управления значением Iout выходного тока, выданного из полупроводникового преобразователя 4 на нагрузку 5, до конкретного значения.

Описанное, во-первых, является причиной, почему значением Iout выходного тока, выданного из полупроводникового преобразователя 4 на нагрузку 5, необходимо управлять для попадания в конкретное значение. Если рассматривается случай, в котором размер значения Vref команды управления напряжением не управляется блоком 2 управления напряжением в полупроводниковом устройстве преобразования энергии, проиллюстрированном на фиг. 1, то его действие такое же, как и у обычного полупроводникового устройства преобразования энергии. В этом случае значение Vref команды управления напряжением, вычисленное блоком 1 вычисления команд управления напряжением преобразователя, колеблется, потому что питание, необходимое на нагрузке 5, выдается из полупроводникового преобразователя 4. Блок 3 генерации ШИМ-сигнала генерирует стробирующий сигнал, на основании значении Vref команды управления напряжением; и полупроводниковый преобразователь 4 энергии приводит в действие коммутирующие элементы 42-1 - 42-6 в соответствии со стробирующим сигналом для генерирования питания переменного тока, и выдает питание переменного тока на нагрузку 5. Значение Iout выходного тока, выданное из полупроводникового преобразователя 4, изменяется в соответствии с размером значения Vref команды управления напряжением. Варьирование значения Iout выходного тока означает изменение потерь при выработке электроэнергии в полупроводниковом преобразователе 4.

В случае когда значение Iout выходного тока, выданного из полупроводникового преобразователя 4, остается постоянным, эти потери в полупроводниковом преобразователе 4 остаются постоянными, а деградация компонентов из-за тепловых циклов может быть подавлена. Когда допускается, чтобы выходной ток Iout был небольшим, значение Iout выходного тока, выданного из полупроводникового преобразователя 4, может поддерживаться постоянным наложением тока, в котором нет нужды, на нагрузку 5. Однако если полупроводниковый преобразователь 4 энергии выдает даже ненужный ток на нагрузку 5 и этот ток весь течет на нагрузку 5, он влияет на работу нагрузки 5 и вызывает сбой.

Следовательно, в настоящем варианте реализации блок 2 управления напряжением осуществляет управление для наложения величины составляющей наложения, которая представляет собой напряжение, которое следует наложить на значение Vref команды управления напряжением из блока 1 вычисления команд управления напряжением преобразователя с тем, чтобы значение Iout выходного тока, выданного из полупроводникового преобразователя 4, попадало в конкретное значение. Шунтирующий блок 6 ответвляет ток, не требуемый на нагрузке 5, который добавляется и соответствует составляющей наложения, наложенной на значение Vref команды управления напряжением посредством управления блоком 2 управления напряжением, от выходного тока Iout, выданного из полупроводникового преобразователя 4, в шунтирующий блок 6 само по себе. Таким образом, полупроводниковое устройство преобразования энергии может управлять так, что значение Iout выходного тока, которое будет выдано из полупроводникового преобразователя 4, попадает в конкретное значение вовсе без влияния на нагрузку 5.

Работа полупроводникового устройства преобразования энергии конкретно поясняется со ссылкой на блок-схему. Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую процесс управления выходным током в полупроводниковом устройстве преобразования энергии.

Во-первых, блок 1 вычисления команд управления напряжением преобразователя вычисляет и получает значение Vref команды управления напряжением для нагрузки 5 на основании исходного функционирования полупроводникового преобразователя 4 и выдает полученное значение Vref команды управления напряжением на блок 2 управления напряжением (этап S1).

Блок 2 управления напряжением получает значение Vref команды управления напряжением из блока 1 вычисления команд управления напряжением преобразователя и вычисляет накладываемую величину составляющей наложения, которая представляет собой напряжение, которое следует наложить на значение Vref команды управления напряжением в соответствии со значением Iout выходного тока из полупроводникового преобразователя 4, полученное с помощью блока 7 обнаружения тока (этап S2).

Способ вычисления накладываемой величины в блоке 2 управления напряжением поясняется подробно. Фиг. 3 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока управления напряжением в соответствии с настоящим вариантом реализации. Блок 2 управления напряжением включает в себя блок 21 вычисления величины наложения, передатчик 22 сигнала частоты наложения, умножитель 23 и сумматор 24.

Устройство 21 вычисления величины наложения получает заданное значение Iref тока, которое представляет собой заданную величину, для установки значения Iout выходного тока из полупроводникового преобразователя 4 на конкретное значение; значение Iout выходного тока из полупроводникового преобразователя 4, обнаруженное устройством 7 обнаружения тока; и параметры полного сопротивления, когда шунтирующий блок 6 включает в себя LC резонансный контур управления нагрузкой и вычисляет накладываемую величину с помощью этих фрагментов информации.

Заданное значение Iref тока представляет собой фиксированную величину, определенную в соответствии с нагрузкой 5, которая должна быть подключена, режимом работы полупроводникового преобразователя 4 и т.п. Пользователь или аналогичный субъект вводит заданное значение Iref тока, которое выбрано из множества вариантов, или заблаговременно устанавливает произвольно на блок 21 вычисления величины наложения. Заданное значение Iref тока может быть предусмотрено изменяемым даже в процессе функционирования полупроводникового устройства преобразования энергии. Пользователь или аналогичный субъект заблаговременно вводит параметры полного сопротивления на блок 21 вычисления величины наложения на основании конфигурации LC резонансного контура шунтирующего блока 6.

Например, когда размер заданного значения Iref тока составляет "10" и размер значения Iout выходного тока составляет "8", блок 21 вычисления величины наложения 21 генерирует и выдает амплитуду составляющей наложения, которая представляет собой параметры напряжения, указывающие, что накладываемая величина "2" накладывается на значение Iout выходного тока с помощью параметров полного сопротивления шунтирующего блока 6 так, что ток размером разницы "10-8=2" накладывается на выходной ток Iout из полупроводникового преобразователя 4.

Умножитель 23 умножает сигнал частоты fc наложения, выданный из передатчика 22 сигнала частоты наложения, с амплитудой составляющей наложения, выданной из блока 21 вычисления величины наложения, и генерирует и выдает составляющую Vc наложения, которая представляет собой напряжение, которое следует наложить на значение Vref команды управления напряжением так, чтобы управлять значением Iout выходного тока. Сумматор 24 накладывает составляющую Vc наложения от умножителя 23 на значение Vref команды управления напряжением от блока вычисления команд управления напряжением преобразователя 1 и генерирует, и выдает значение Vref2 команды управления напряжением, указывающее, что накладываемая величина "2" накладывается на выходной ток Iout (этап S3).

В приведенных выше пояснениях блок 21 вычисления величины наложения получает амплитуду составляющей наложения посредством пропорционального управления, которое представляет собой только один пример, и могут быть применены другие способы.

Блок 3 генерации ШИМ-сигнала генерирует стробирующий сигнал в соответствии со значением Vref2 команды управления напряжением, введенным из блока 2 управления напряжением (этап S4). Блок 3 генерации ШИМ-сигнала выдает сгенерированный стробирующий сигнал на полупроводниковый преобразователь 4 энергии.

Полупроводниковый преобразователь 4 энергии функционирует, управляя приведением в действие соответствующих коммутирующих элементов 42-1 - 42-6 в соответствии со стробирующим сигналом, введенным из блока 3 генерации ШИМ-сигнала, преобразует питание постоянного тока в питание переменного тока и выдает питание переменного тока на нагрузку 5 (этап S5). Выходной ток Iout питания переменным током, выданный за это время, производится наложением тока частоты fc наложения с помощью составляющей Vc наложения (который представляет собой ток частотной составляющей во второй полосе частот) на ток, исходно заданный на нагрузку 5 в соответствии со значением Vref команды управления напряжением (ток частотной составляющей в первой полосе частот), и управляемый так, чтобы попадать в конкретное значение (заданное значение Iref тока). Т.е., когда ток частотной составляющей в первой полосе частот, который представляет собой ток, основанный на первом значении команды управления напряжением, уменьшается, полупроводниковый преобразователь 4 энергии увеличивает ток частотной составляющей во второй полосе частот, который представляет собой ток, основанный на втором значении команды управления напряжением, и выдает ток; и когда ток частотной составляющей в первой полосе частот увеличивается, полупроводниковый преобразователь 4 энергии уменьшает частотную составляющую во второй полосе частот и выдает ток.

Шунтирующий блок 6 затем ответвляет ток с частотой fc наложения, которая представляет собой частотную составляющую составляющей Vc наложения, от выходного тока Iout, выданного из полупроводникового преобразователя 4 на нагрузку 5 (Этап S6). Фиг. 4 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую характеристики полного сопротивления шунтирующего блока. Частота откладывается на оси x, а полное сопротивление откладывается на оси y. На фиг. 4 полоса B частот относится к базовому режиму работы в полупроводниковом преобразователе 4 и является, как правило, коммерческой полосой частот с самым большим значением 400 Гц, а обычно от 50 до 60 Гц. Полоса D частот указывает диапазон несущей частоты, обусловленный переключением коммутирующих элементов 42-1 - 42-6, предусмотренных в полупроводниковом преобразователе 4, и составляет, как правило, 2 кГц или выше. Полное сопротивление полос B и D частот достаточно высоко, так что составляющие полос B и D частот выходного тока Iout, который выдается из полупроводникового преобразователя 4, текут на нагрузку 5 без затекания на шунтирующий блок 6 (что означает - не являются ответвленными). С другой стороны, полное сопротивление, соответствующее полосе C частот, меньше. Т.е. составляющая полосы C частот выходного тока Iout, выданного из полупроводникового преобразователя 4, течет (ответвленная) на шунтирующий блок 6. Полоса C частот устанавливается больше, чем полоса B частот, и меньше, чем полоса D частот, например, чтобы быть вокруг 1 кГц, что составляет частоту, эквивалентную LC резонансной частоте в случае, когда шунтирующий блок 6 включает в себя LC резонансный контур.

В настоящем варианте реализации частота fc наложения составляющей Vc наложения, которая должна быть наложена на значение Vref команды управления напряжением посредством блока 2 управления напряжением, и полоса C частот, проиллюстрированная на фиг. 4, устанавливаются в той же самой полосе частот. Соответственно, в полупроводниковом устройстве преобразования энергии, даже если блок 2 управления напряжением накладывает составляющую Vc наложения на значение Vref команды управления напряжением, исходно заданную полупроводниковым преобразователем 4 энергии, ток с частотой fc наложения (полоса C частот), которая является частотной составляющей Vc наложения, может течь (может быть ответвлен) на шунтирующий блок 6, от выходного тока Iout, включающего в себя составляющую наложения, выданного из полупроводникового преобразователя 4. В полупроводниковом устройстве преобразования энергии ток, отличный от тока с частотой fc наложения (полоса C частот), которая представляет собой частотную составляющую составляющей Vc наложения, т.е. ток с частотной составляющей значения Vref команды управления напряжением, исходно заданный полупроводниковым преобразователем 4 энергии, может протекать на нагрузку 5.

Фиг. 5 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации шунтирующего блока. Шунтирующий блок 6 включает в себя конденсаторы C1, C2 и C3 и катушки L1, L2 и L3. Один конденсатор и одна катушка включаются в один LC резонансный контур, а каждый LC резонансный контур подключают к любому одному из соединительных проводов от полупроводникового преобразователя 4 на нагрузку 5 на фиг. 1. Резонансная частота LC резонансного контура устанавливается равной частоте fc наложения посредством установки постоянных соответствующих конденсаторов и соответствующих катушек, так что может быть легко образован шунтирующий блок 6.

Фиг. 6 представляет собой схему, иллюстрирующую как выходной ток Iout выдается из полупроводникового устройства преобразования энергии и как происходит протекание тока на нагрузку и шунтирующий блок в настоящем варианте реализации. Для упрощения объяснения оно моделируется так, что полупроводниковый преобразователь 4а энергии представляет собой однофазный преобразователь, а нагрузка 5a и шунтирующий блок 6a соответствуют фазе сигнала. Следует отметить, что в случае трехфазного преобразователя, как проиллюстрировано на фиг. 1, отношение тока, протекающего в соответствующих фазах, идентично отношению по фиг. 6. Полупроводниковый преобразователь 4a энергии включает в себя конденсатор 41, коммутирующие элементы 42-7 - 42-10 и диоды 43-7 - 43-10.

На фиг. 6 выходной ток Iout, выданный из полупроводникового преобразователя 4a, соответствует значению Vref2 команды управления напряжением, при котором составляющая Vc наложения накладывается на исходное значение Vref команды управления напряжением; и колебание синусоидальной волны, соответствующее значению Vref команды управления напряжением, накладывается на него с колебанием частоты fc наложения гармоники составляющей Vc наложения. К полупроводниковому преобразователю 4a параллельно с нагрузкой 5a присоединяется шунтирующий блок 6a, имеющий частотные параметры полного сопротивления, как проиллюстрировано на фиг. 4, при этом шунтирующий блок включает в себя LC резонансный контур, содержащий конденсатор C4 и катушку L4, и имеет ту же самую резонансную частоту (fc), как частота fc наложения. Шунтирующий блок 6a ответвляет ток гармонической частоты fc наложения, которая является частотной составляющей Vc наложения, от выходного тока Iout, выданного из полупроводникового преобразователя 4a. В результате, как проиллюстрировано на фиг. 6, ток, имеющий частотную составляющую исходного значения Vref команды управления напряжением протекает на нагрузку 5a, причем его значение такое же, как значение Vref2 команды управления напряжением до наложения составляющей Vc наложения.

Таким способом в полупроводниковом устройстве преобразования энергии, когда выходной ток Iout, выданный из полупроводникового преобразователя 4 (или 4a), устанавливается равным конкретному значению, ток, соответствующий составляющей Vc наложения, наложенной посредством блока 2 управления напряжением, может быть разветвлен шунтирующим блоком 6 независимо от наложенной величины. Соответственно ток, протекающий без нужды на нагрузку 5 (или 5a), может быть предотвращен.

Как пояснено выше, в соответствии с настоящим вариантом реализации блок 2 управления напряжением осуществляет управление для наложения напряжения составляющей Vc наложения на исходное значение Vref команды управления напряжением, выводимой из управляющего действия посредством полупроводникового преобразователя 4, на основании значения Iout выходного напряжения из полупроводникового преобразователя 4. Соответственно, выходной ток Iout из полупроводникового преобразователя 4 может быть управляемым для попадания в конкретное значение, т.е. в пределы определенной амплитуды. Более того, шунтирующий блок 6 ответвляет ток с частотой fc наложения, которая является частотной составляющей наложения Vc, наложенной посредством блока 2 управления напряжением, от выходного тока, выданного из полупроводникового преобразователя 4. Соответственно ток, исходно заданный для управления, может протекать на нагрузку 5, выведенную из значения Vref команды управления напряжением. Соответственно, значение Iout выходного тока из полупроводникового преобразователя 4 может быть сохранено постоянным; таким образом, токовые нагрузки полупроводниковых приборов, подключенных к полупроводниковому преобразователю 4, могут быть выполнены постоянными; и, в результате, потеря при выработке электроэнергии становится постоянной и температура становится постоянной. Следовательно, деградация компонента, вызванная тепловыми циклами, может быть подавлена.

В настоящем варианте реализации накладываемой величиной составляющей Vc наложения управляют так, что выходной ток Iout из полупроводникового преобразователя 4 становится постоянным, однако способ действия не ограничивается этим. Например, может быть применен способ управления с обратной связью, использующий эффективное значение постоянного тока, среднее значение постоянного тока, или т.п., или может быть применен способ, сочетающий эти способы, устраняя факторы потери при выработке электроэнергии в полупроводниковом преобразователе 4.

Как правило, когда широкозонный полупроводник, выполненный из SiC или GaN, используется для коммутирующих элементов 42-1 - 42-6 полупроводникового преобразователя 4, поскольку верхний предел температуры широкозонного полупроводника высок, диапазон теплового цикла имеет потребность сохраняться широким для использования характеристик верхнего предела температуры. Однако в настоящем варианте реализации проблема деградации при тепловом цикле может быть разрешена при использовании характеристик теплового сопротивления широкозонного полупроводника.

Дополнительно шунтирующий блок 6 может быть выполнен с возможностью быть установленным в полупроводниковом устройстве преобразования энергии заблаговременно или быть присоединенным, или замененным впоследствии наряду с нагрузкой 5. Например, в случае когда частота fc наложения составляющей Vc наложения является переменной, с помощью присоединения шунтирующего блока 6, который согласует частоту fc наложения составляющей Vc наложения после того, как LC резонансная частота LC резонансного контура изменена, доступны для использования различные накладываемые fc частоты.

Дополнительно вышеописанное является конфигурацией, в которой блок 1 вычисления команд управления напряжением преобразователя, блок 2 управления напряжением и блок 3 генерации ШИМ-сигнала являются отдельными блоками; однако функции этих трех блоков могут быть выполнены с возможностью объединения в блок генерации стробирующего сигнала так, что блок генерации стробирующего сигнала вычисляет значение Vref команды управления напряжением и накладываемую величину, и генерирует значение Vref2 команды управления напряжением и стробирующий сигнал.

ВТОРОЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ

В первом варианте реализации конденсатор и катушку предусматривают внутри шунтирующего блока 6 и включают в LC резонансный контур. Однако в некоторой конфигурации устройства компонент индуктивности (катушка) может быть заблаговременно присоединен к выходу полупроводникового преобразователя 4 для подавления перенапряжения или т.п. на конце нагрузки 5. В таком случае добавление конденсатора вновь может составить LC резонансный контур вместе с компонентом индуктивности (катушкой), присоединенным к нему заблаговременно.

Фиг. 7 представляет собой схему, иллюстрирующую как выдается выходной ток Iout из полупроводникового устройства преобразования энергии и как протекание тока на нагрузку и шунтирующий блок происходит в настоящем варианте реализации. Подобно фиг. 6, проиллюстрированной в первом варианте реализации, для упрощения пояснения моделируют, что полупроводниковый преобразователь 4а энергии является однофазным преобразователем, а нагрузка 5a и шунтирующий блок 6a являются однофазными. В случае трехфазного преобразователя, отношение тока, протекающего в соответствующих фазах, идентично отношению по фиг. 7.

На фиг. 7 выходной ток Iout, выданный из полупроводникового преобразователя 4a, соответствует значению Vref2 команды управления напряжением, при котором составляющая Vc наложения накладывается на исходное значение Vref команды управления напряжением; и колебание гармонической частоты fc наложения составляющей Vc наложения накладывается на форму синусоидальной волны значения Vref команды управления напряжением. LC резонансный контур, имеющий резонансную частоту fc2, образуется с компонентом индуктивности (катушкой L5), подключенной между полупроводниковым преобразователем 4a энергии и нагрузкой 5a вместе с конденсатором C5 шунтирующего блока 6b.

Здесь шунтирующий блок 6b ответвляет ток гармонической частоты fc наложения, которая является частотной составляющей Vc наложения, и ток с частотной составляющей несущей частоты, вызванной переключением коммутирующих элементов 42-7 - 42-10 полупроводникового преобразователя 4a, от выходного тока Iout, выданного из полупроводникового преобразователя 4a. В результате, как проиллюстрировано на фиг. 7, ток, соответствующий исходному значению Vref команды управления напряжением, который является одним до того, как значение Vref2 команды управления напряжением накладывается с составляющей Vc наложения, с незначительной оставшейся на нем гармонической компонентой протекает на нагрузку 5a. В этом случае не может быть применена нагрузка некоторого вида в зависимости от характеристик нагрузок. Например, в случае когда нагрузка 5a является двигателем или т.п., высокой частотной составляющей в принципе трудно протекать, так что проблемы вряд ли происходят при реальных применениях.

В случае конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 7, поскольку ток с частотной составляющей выше, чем резонансная частота fc2, протекает на шунтирующий блок 6b, блок 2 управления напряжением накладывает составляющую Vc наложения с частотой наложения, соответствующей частотным составляющим от резонансной частоты fc2 до несущей частоты.

Как пояснено выше, в соответствии с настоящим вариантом реализации в случае, когда индуктивный компонент подключают заблаговременно между полупроводниковым преобразователем 4 (или 4a) энергии и нагрузкой 5 (или 5a), добавление конденсатора в качестве шунтирующего блока 6b составляет LC резонансный контур вместе с индуктивным компонентом, подключенным заблаговременно. При таком добавлении исходно обеспеченная конфигурация может быть использована так, чтобы число компонентов для добавления могло быть уменьшено.

ТРЕТИЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ

В первом варианте реализации поясняется способ управления накладываемой величиной составляющей Vc наложения посредством управления с обратной связью в блоке 2 управления напряжением. Однако наложенная величина составляющей Vc наложения также может быть отрегулирована посредством управления с прямой связью.

Фиг. 8 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока управления напряжением в соответствии с настоящим вариантом реализации. Блок 2a управления напряжением включает в себя блок 21 вычисления величины наложения, передатчик 22 сигнала частоты наложения, умножитель 23, сумматор 24 и блок 25 оценки Iout. Блок 25 оценки Iout вводит значение Vref команды управления напряжением и параметры полного сопротивления нагрузки 5 для оценки значения Iout выходного тока из полупроводникового преобразователя 4, с использованием значения Vref команды управления напряжением и параметров полного сопротивления нагрузки 5. Пользователь или аналогичный субъект выясняют параметры полного сопротивления нагрузки 5 заблаговременно измерением или т.п., и вводит параметры полного сопротивления на блок 25 оценки Iout. Блок 25 оценки Iout способен оценивать значение Iout выходного тока делением значения Vref команды управления напряжением на параметры полного сопротивления нагрузки 5. Блок 25 оценки Iout выдает оцененное значение Iout выходного тока на блок 21 вычисления величины наложения. Действия после того, как блок 21 вычисления величины наложения 21 вводит величину значения Iout выходного тока, оцененную блоком 25 оценки Iout, идентичны действиям в первом варианте реализации (см. фиг. 3).

Как пояснено выше в соответствии с настоящим вариантом реализации, блок 2a управления напряжением использует, вместо выходного тока Iout, значение оцененного выходного тока Iout, основанное на значении Vref команды управления напряжением и параметрах полного сопротивления нагрузки 5. Соответственно величина, наложенная на значение Vref команды управления напряжением, может быть отрегулирована управлением с прямой связью.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Как описано выше, полупроводниковое устройство преобразования энергии в соответствии с настоящим изобретением используется для преобразования электроэнергии с использованием полупроводниковых компонентов и является особенно подходящим для предотвращения полупроводниковых компонентов от деградации.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 - блок вычисления команд управления напряжением преобразователя, 2, 2a - блок управления напряжением, 3 - блок генерации ШИМ-сигнала, 4, 4a - полупроводниковый преобразователь энергии, 5, 5a - нагрузка, 6, 6a, 6b - шунтирующий блок, 7 - блок обнаружения тока, 21 - блок вычисления величины наложения, 22 - передатчик сигнала частоты наложения, 23 - умножитель, 24 - сумматор, 25 - блок оценки Iout, 41 - конденсатор, 42-1 - 42-10 - коммутирующий элемент, 43-1 - 43-10 - диод.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в полупроводниковых преобразователях энергии. Техническим результатом является повышение надежности функционирования за счет обеспечения требуемого значения тока. Полупроводниковое устройство преобразования энергии включает в себя: полупроводниковый преобразователь (4) энергии, который выполняет преобразование энергии с использованием коммутирующих элементов (42-1 - 42-6) и подает питание на нагрузку (5); блок (1) вычисления команд управления напряжением преобразователя, которое выдает величину Vref команды управления напряжением, которая управляет полупроводниковым преобразователем (4) энергии; блок (2) управления напряжением, который накладывает второе значение команды управления напряжением на значение Vref команды управления напряжением для генерации значения Vref2 команды управления напряжением; блок (3) генерации ШИМ-сигнала, который генерирует стробирующий сигнал для управления приведением в действие коммутирующих элементов (42-1 - 42-6) на основании значения Vref2 команды управления напряжением и выдает стробирующий сигнал на полупроводниковый преобразователь (4) энергии; и шунтирующий блок (6), который подключается к полупроводниковому преобразователю (4) параллельно с нагрузкой (5) и ответвляет ток с частотой второго значения команды управления напряжением от выходного тока Iout, который выдается из полупроводникового преобразователя (4) на нагрузку (5). 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Полупроводниковое устройство преобразования энергии, содержащее:

преобразователь энергии, который выполняет преобразование энергии с использованием коммутирующего элемента и подает питание на нагрузку;

блок вычисления команд управления напряжением преобразователя, который выдает первое значение команды управления напряжением, которое управляет преобразователем энергии;

блок управления напряжением, который накладывает второе значение команды управления напряжением на первое значение команды управления напряжением для генерации третьего значения команды управления напряжением;

блок генерации ШИМ-сигнала, который генерирует стробирующий сигнал для управления приведением в действие коммутирующего элемента, на основании третьего значения команды управления напряжением, и выдает стробирующий сигнал на преобразователь энергии; и

шунтирующий блок, который подключен к преобразователю энергии параллельно с нагрузкой и отводит ток с частотой второго значения команды управления напряжением от выходного тока, который выдается из преобразователя энергии на нагрузку.

2. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 1, в котором

блок управления напряжением получает второе значение команды управления напряжением на основании разности между значением выходного тока из преобразователя энергии и заданным значением тока, которое представляет собой заданную величину значения выходного тока.

3. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 1, в котором

блок управления напряжением

оценивает значение выходного тока из преобразователя энергии с использованием первого значения команды управления напряжением и информации о полном сопротивлении нагрузки, и

получает второе значение команды управления напряжением на основании разности между заданным значением тока, которое представляет собой заданную величину значения выходного тока, и оцененным значением выходного тока.

4. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 1, в котором

шунтирующий блок представляет собой LC резонансный контур, включающий в себя катушку и конденсатор, и

LC резонансная частота LC резонансного контура представляет собой частоту второго значения команды управления напряжением.

5. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 1, в котором

в случае когда катушка подключена между преобразователем энергии и нагрузкой, шунтирующий блок снабжен конденсатором для образования LC резонансного контура посредством катушки и конденсатора, и

LC резонансная частота LC резонансного контура представляет собой частоту второго значения команды управления напряжением.

6. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 1, в котором

частота второго значения команды управления напряжением попадает в полосу частот, которая больше, чем рабочая полоса частот преобразователя энергии, и меньше, чем полоса несущих частот, вызванная переключением коммутирующего элемента.

7. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 1, в котором коммутирующий элемент представляет собой широкозонный полупроводник.

8. Полупроводниковое устройство преобразования энергии, содержащее:

преобразователь энергии, который выполняет преобразование энергии с помощью коммутирующего элемента и подает питание на нагрузку;

блок вычисления команд управления напряжением преобразователя, который выдает первое значение команды управления напряжением, которое управляет преобразователем энергии;

блок управления напряжением, который накладывает второе значение команды управления напряжением на первое значение команды управления напряжением для генерации третьего значения команды управления напряжением; и

блок генерации ШИМ-сигнала, который

генерирует стробирующий сигнал для управления приведением в действие коммутирующего элемента, на основании третьего значения команды управления напряжением,

выдает стробирующий сигнал на преобразователь энергии, при этом

ток, соответствующий второму значению команды управления напряжением, ответвляется от выходных токов, которые выдаются из преобразователя энергии на нагрузку, посредством шунтирующего блока, который подключен к преобразователю энергии параллельно с нагрузкой.

9. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 8, в котором

блок управления напряжением получает второе значение команды управления напряжением, на основании разности между значением выходного тока из преобразователя энергии и заданным значением тока, которое представляет собой заданную величину значения выходного тока.

10. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 8, в котором

блок управления напряжением

оценивает значение выходного тока из преобразователя энергии с использованием первого значения команды управления напряжением и параметров полного сопротивления нагрузки и

получает второе значение команды управления напряжением на основании разности между заданным значением тока, которое представляет собой заданную величину значения выходного тока, и оцененным значением выходного тока.

11. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 8, в котором

частота второго значения команды управления напряжением попадает в полосу частот, которая больше, чем полоса рабочих частот преобразователя энергии, и меньше, чем полоса несущих частот, вызванная переключением коммутирующего элемента.

12. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 8, в котором коммутирующий элемент представляет собой широкозонный полупроводник.

13. Полупроводниковое устройство преобразования энергии, содержащее:

блок генерации стробирующего сигнала, который генерирует и выдает стробирующий сигнал для управления коммутирующим элементом;

коммутирующий элемент, который функционирует в соответствии с входным стробирующим сигналом; и

преобразователь энергии, который выдает переменный ток, имеющий

частотную составляющую в пределах первой полосы частот, в которой эксплуатируется нагрузка,

частотную составляющую во второй полосе частот, которая отличается от первой полосы частот и ответвляется шунтирующим блоком, который подключен параллельно к нагрузке, при этом

когда частотная составляющая в первой полосе частот уменьшается, частотная составляющая во второй полосе частот увеличивается, и

когда частотная составляющая в первой полосе частот увеличивается, частотная составляющая во второй полосе частот уменьшается.

14. Полупроводниковое устройство преобразования энергии по п. 13, в котором коммутирующий элемент представляет собой широкозонный полупроводник.