АКТИВНЫЙ ДЕМПФЕР
ACTIVE DAMPER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение, в основном, относится к переключающей ячейке для  ветви фазы преобразователя мощности и способу управления преобразователем мощности для возбуждения нагрузки, а также, в частности, к множеству таких переключающих ячеек, плечу фазы для преобразователя мощности, ветви фазы преобразователя мощности, к преобразователю мощности для возбуждения нагрузки и способам изготовления преобразователя мощности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Мощные полупроводниковые устройства с широкой запрещенной зоной (WBG) приближаются к моменту коммерческого применения в некоторых сферах применения силовых электронных преобразователей. У них более широкая запрещенная зона, чем у кремния, что приводит к повышенной напряженности электрического поля при пробое и повышенной максимальной температуре перехода.
Повышенная напряженность электрического поля приводит к более узкой пролетной области для заданного напряжения пробоя; это может давать, например, следующие преимущества: (i) более низкое падение напряжения в замкнутом состоянии (сопротивление для нормированной площади) и, следовательно, более низкие диэлектрические потери на электропроводность; и/или (ii) более быстрое переключение и, следовательно, более низкие потери при переключении. Повышенная рабочая температура перехода также является потенциальным преимуществом, хотя существующая компоновка устройства неспособна выдерживать интенсивное термоциклирование, возникающее в результате этих недостаточно типичных условиях переменной нагрузки.
В то время как пониженные диэлектрические потери на электропроводность могут приносить наиболее быструю выгоду, преимуществами значительно увеличенной скорости переключения и, следовательно, уменьшенных потерь при переключении и/или увеличенных частот переключения преобразователя мощности, как правило, можно воспользоваться, если коммутационная индуктивность значительно понижена по сравнению с типичными значениями, имеющимися у преобразователей, основанных на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). Это может происходить в области 30 нГ для низковольтного преобразователя, например, при питании напряжением 690 В переменного тока с использованием устройств мощности с напряжениями пробоя, например, 1200 или 1700 В. В действительности даже существующие IGBT иногда приходится замедлять для снижения уровней выбросов индуктивного напряжения в достаточной мере; непосредственная замена их WBG-устройствами (например, МОП-транзисторами на базе карбида кремния (SiC) с таким же максимально допустимым напряжением пробоя), как правило, требует достижения той же скорости переключения, это может приводить к значительному увеличению потерь при переключении WBG-устройств, что может сделать их применение бессмысленным.
Чтобы воспользоваться преимуществами потенциала WBG-устройств, может рассматриваться разработка схемы с очень низкой коммутационной индуктивностью, предпочтительно менее нескольких нГ, для обеспечения быстрой переключения без получения в результате больших выбросов напряжения. Однако побочным эффектом этого могут являться очень быстрые фронты импульса переключения di/dt и dv/dt, причем, последние также являются проблемой ля применения в электрических приводах. Кроме того, очень низкая коммутационная индуктивность может попросту оказаться недостижимой в существующих схемах преобразователей мощностью свыше нескольких кВт ввиду очень плотной требуемой компоновки.
Поэтому, если WBG-устройства должны применяться в высокомощных преобразователях, например, на 100 кВт и более, желательно иметь возможность справляться с существующими коммутационными индуктивностями и обеспечивать заметную величину dv/dt в соответствии с существующим переключением IGBT. Кроме того, чтобы способствовать распространению на рынке, устройства предпочтительно должны быть доступными в корпусе, аналогичном используемым в настоящее время - например, EconoDual/Pack, PrimePack, HPM - чтобы не пришлось начинать проектирование преобразователя с самого начала.
Область преобразователей мощности продолжает создавать потребность в топологии переключения, которая может, например, обеспечивать, помимо прочего, более высокую энергоэффективность, повышенную надежность, более низкую стоимость, компактную конструкцию, пригодность для стандартной компоновки преобразователя мощности, быструю работу и/или работу с низкими потерями при переключении (например, при наличии относительно больших индуктивностей относительно внешних конденсаторов), повышенные частоты переключения преобразователя мощности, более низкие диэлектрические потери на электропроводность, высокую максимальную рабочую температуру, высокое напряжение мощности постоянного тока (DC), например, относительно напряжения пробоя устройства переключения мощности, пониженные выбросы напряжения, улучшенную защиту индуктивных нагрузок, имеющих обмотки (например, электродвигателей) и т.д.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается переключающая ячейка для  ветви фазы преобразователя мощности, причем, переключающая ячейка содержит: переключатель мощности для проведения тока для возбуждения нагрузки; последовательное соединение, содержащее последовательно соединенные вспомогательный переключатель и конденсатор ячейки, причем, последовательное соединение подключено параллельно переключателю мощности; и элемент индуктивности ячейки, подключенный к подключению переключателя мощности и последовательного соединения, отличающаяся тем, что переключающая ячейка имеет контур коммутации для проведения тока коммутации, возникающего в результате выключения переключателя мощности, причем, контур содержит: первую шунтирующую схему для блокирования протекания тока в некотором направлении, подключенную параллельно переключателю мощности для проведения упомянутого тока коммутации в другом, противоположном направлении; вторую шунтирующую схему для блокирования протекания тока в некотором направлении, подключенную параллельно вспомогательному переключателю для проведения упомянутого тока коммутации в другом, противоположном направлении; и конденсатор ячейки, и отличающаяся тем, что переключающая ячейка содержит, по меньшей мере, одну управляющую входную линию для приема управляющего сигнала, причем указанная, по меньшей мере, одна управляющая входная линия выполнена с возможностью возбуждения управляющего вывода переключателя мощности и управляющего вывода вспомогательного переключателя.
Предпочтительно одна или более таких переключающих ячеек могут предусматриваться в схеме мощности вместо модуля переключателя мощности (как правило, корпуса, содержащего переключатель мощности, а в некоторых случаях и диод коммутации). Например, такие переключающие ячейки могут заменять модуль переключателя мощности преобразователя мощности, такого как выпрямитель переменного тока в постоянный, преобразователь постоянного тока в переменный или схема сдвига уровня с переменного тока на переменный или с постоянного тока на постоянный. Индуктивность ячейки может развязывать переключающую ячейку от соседней схемы, например, соседней переключающей ячейки таким образом, что ток коммутации, относящийся к переключению переключателя мощности и/или вспомогательного переключателя, может в значительной степени ограничиваться контуром коммутации переключающей ячейки. Такой контур коммутации может быть небольшим по площади и/или иметь низкую индуктивность, что предпочтительно обеспечивает быстрое переключение, по меньшей мере, переключателя мощности в одном из вариантов осуществления. В случае, когда множество ячеек подключено друг к другу, например, параллельно и/или в виде матрицы из одной или более строк и/или столбцов ячеек, полный ток переключения, относящийся к переключению переключателей мощности и/или вспомогательных переключателей всех ячеек, может считаться распределенным по контурам переключения множества ячеек. Последовательные ячейки, например, в некотором столбце такой матрицы могут считаться разделяющими напряжение. Это может улучшить надежность и/или увеличить максимальное допустимое напряжение на матрице.
Для снижения паразитной индуктивности линии сопряжения, аналогичные полосковой линии, могут использоваться для сопряжения друг с другом, по меньшей мере, конденсатора ячейки, переключателя мощности и вспомогательного переключателя ячейки, предпочтительно также шунтирующих схем. (Аналогичным образом, такая линия (линии) сопряжения может использоваться для формирования других проводников, например, шины электропитания, фазных выходных соединений с нагрузкой). Любая такая линия (линии) сопряжения может представлять собой/содержать многослойную систему шин, которая, как правило, подобна полосковой линии, но может не содержать плоскости заземления. Система (системы) шин может содержать параллельные разделенные тонким слоем проводники для получения низкой индуктивности коммутации между питающими шинопроводами DC. Контур полосковой линии для подключения, по меньшей мере, конденсатора ячейки, переключателя мощности и вспомогательного переключателя может предусматривать широкие проводники и иметь небольшое расстояние между ними. Это может оказаться предпочтительным для снижения индуктивности контура коммутации.
Кроме того, переключающая ячейка (ячейки), например, при увеличении их количества при построении матрицы последовательных и/или параллельных ячеек может позволить воспользоваться преимуществами устройств, обладающих способностью быстрой переключения и/или низкими потерями при переключении. Предпочтительно переключатель мощности переключающей ячейки представляет собой широкозонное устройство, например, содержащее полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны, по меньшей мере, 3 эВ. Такой материал может содержать, например, SiC или GaN. Это может обеспечиваться в одном из вариантов осуществления с помощью небольшого контура коммутации и, следовательно, небольшой индуктивности коммутации для проведения тока коммутации переключателя мощности. Дополнительные или альтернативные преимущества, достижимые с помощью WBG-устройства, включают в себя, например, работу при высокой температуре.
Конденсатор ячейки в каждой ячейке может обеспечивать, чтобы ячейка поддерживала заданное напряжение, например, напряжение, равное поддерживаемому другими ячейками в последовательном и/или параллельном соединении (например, матрице) таких переключающих ячеек. Тем самым может достигаться удовлетворительное распределение напряжения и/или тока по ячейкам. Следовательно, один из вариантов осуществления может обеспечивать улучшенное распределение рассеяния мощности, тепловые характеристики, надежность и/или компактность и т.д. Зарядка конденсатора может определяться управлением вспомогательного переключателя. Управление вспомогательным переключателем предпочтительно (т.е., при необходимости) осуществляется для обеспечения протекания заряда на конденсатор/с конденсатора только в тех случаях, когда переключатель мощности выключен. Управляющая входная линия (вывод, дорожка и/или провод и т.д.) может принимать, по меньшей мере, один управляющий сигнал для переключения любого из переключателя мощности и вспомогательного переключателя или обоих вместе. В частности, упомянутая входная линия возбуждения управляющего вывода может быть выполнена с возможностью практически (например, в точности или с небольшой задержкой) одновременного включения одного из переключателя мощности и вспомогательного переключателя и выключения другого из переключателя мощности и вспомогательного переключателя. Например, один из переключателя мощности и вспомогательного переключателя может содержать устройство n-типа, а другой - устройство р-типа, переключающая ячейка может при этом быть выполнена с возможностью управления переключением переключателя мощности и вспомогательного переключателя в соответствии с общим управляющим сигналом. Предпочтительно для переключателя мощности и вспомогательного переключателя переключающей ячейки при этом может использоваться однозатворная схема возбуждения.
Предпочтительно переключение переключателя мощности и вспомогательного переключателя является взаимосвязанным. В одном из вариантов осуществления переключатель мощности выключается (включается), когда вспомогательный переключатель той же ячейки включается (выключается). Это может обеспечивать равенство суммы напряжений на двух переключателях напряжению конденсатора ячейки. В одном из вариантов осуществления обеспечение одновременного включения обоих переключателей может приводить к риску закорачивания конденсатора ячейки. Кроме того, в тех случаях, когда переключатель мощности выключается в одном из вариантов осуществления, вспомогательный переключатель предпочтительно включается с целью фиксации напряжения переключателя мощности на конденсаторе ячейки.
Ввиду практически одновременного включения одного из переключателя мощности и вспомогательного переключателя и выключения другого из переключателя мощности и вспомогательного переключателя с помощью, по меньшей мере, одного управляющего сигнала, предпочтительно имеется небольшая задержка между выключением одного из переключателей и включением другого. Это может рассматриваться как «бестоковая пауза» и может снижать риск прострела, возникающего, когда выключающийся переключатель не совсем закончил выключение к тому времени, когда включается другой переключатель, что приводит к кратковременному замыканию на переключателях. Такой ток прострела может в лучшем случае привести к дополнительным потерям мощности в устройствах; в худшем случае он может разрушить устройства. Следовательно, длительность бестоковой паузы зависит от скоростей переключения устройств. Она может требоваться даже в быстродействующей переключающей ячейке с WBG. Бестоковая пауза может, например, составлять менее 5 мкс, 3 мкс, 2 мкс или 1 мкс, предпочтительно между 350 и 750 нс. Однако бестоковая пауза может зависеть от скорости переключения; бестоковая пауза может составлять, например, всего лишь 20-30 нс, например, для WBG-устройства (устройств); однако она может составлять, например, до 10 мкс, например, для схем преобразователей на основе IGBT.
Шунтирующие схемы, как правило, могут обеспечивать ток коммутации для шунтирования переключателей и тем самым обеспечивать прохождение тока коммутации вокруг переключающей ячейки. По меньшей мере, одна из первой и второй шунтирующих схем может содержать диод. Диод может называться диодом коммутации, фиксирующим диодом, обратным диодом и т.д. Диод предпочтительно (т.е., при необходимости) является встречно-параллельным соответствующему переключателю для проведения тока коммутации в прямом направлении через диод и блокирования обратного тока. Диод может представлять собой встроенный диод соответствующего переключателя (переключателя мощности или вспомогательного переключателя), либо внешний, как правило, отдельный компонент, подключенный к переключателю. Внешний диод может быть нецелесообразным, например, поскольку переключатель мощности или вспомогательный переключатель обеспечивает обратный ток предпочтительно с помощью встроенного - например, паразитного - диода переключателя.
Каждый переключатель может при этом быть защищен соответствующей шунтирующей схемой в случае выброса напряжения. Такой выброс может происходить на элементе индуктивности (например, элементе индуктивности переключающей ячейки, элементе индуктивности ( элементах индуктивности) других переключающих ячеек, подключенных к данной переключающей ячейке, паразитных индуктивностях схемы, содержащей переключающую ячейку, и/или нагрузочной индуктивности), например, ввиду явления переключения одного или более переключателей мощности.
Подключение между переключателем мощности и последовательным соединением предпочтительно является прямым подключением, например, содержащим только провода, дорожки, выводы и/или разъемы, либо может содержать один или более внешних схемных компонентов, таких как резистор, конденсатор и т.д.
Как указано выше, две или более переключающие ячейки могут предусматриваться, например, в матрице ячеек, например, одной матрице для каждого плеча фазы  ветви фазы преобразователя мощности. Множество переключающих ячеек может содержать, по меньшей мере, одно последовательное соединение переключающих ячеек, причем, каждая упомянутая переключающая ячейка указанного, по меньшей мере, одного последовательного соединения подключена к соседней упомянутой переключающей ячейке с помощью упомянутого элементе индуктивности ячейки.  Элемент индуктивности ячейки в одной переключающей ячейке может при этом развязывать переключающую ячейку от соседней ячейки предпочтительно таким образом, чтобы контуры коммутации переключающих ячеек были развязаны. Первая и/или последняя переключающая ячейка любого такого последовательного соединения переключающих ячеек может быть подключена - предпочтительно посредством своего элементе индуктивности ячейки - непосредственно к питающему шинопроводу или выходной линии, например, фазному выходу ветви фазы преобразователя мощности. (Таким образом, первая или последняя переключающая ячейка может не иметь элемент индуктивности ячейки таким образом, что контур переключения непосредственно подключен к питающему шинопроводу или выходу). По меньшей мере, одна переключающая ячейка может быть подключена параллельно упомянутой переключающей ячейке упомянутого последовательного соединения ячеек. Таким образом, может быть сформирована двумерная матрица ячеек. Предпочтительно такое параллельное соединение достигается созданием электрического соединения между концами элементов индуктивности параллельных ячеек - причем, их концы соединены с подключением переключателя мощности и последовательного соединения соответствующей ячейки - и созданием электрического соединения между другими подключениями переключателя мощности и последовательного соединения ячеек.
Каждое такое последовательное соединение переключающих ячеек может обеспечивать во множестве ячеек более высокое общее номинальное напряжение, чем в отдельной переключающей ячейке. Аналогичным образом, параллельное подключение переключающей ячейки (ячеек), например, с помощью множества параллельно-последовательных соединений и/или переключающих ячеек, каждая из которых подключена непосредственно к соответствующим переключающим ячейкам последовательного соединения, может обеспечивать во множестве ячеек более высокий общий номинальный ток, чем в отдельной переключающей ячейке и/или отдельном последовательном соединении.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
BR
BR
По меньшей мере, устройства мощности множества переключающих ячеек (например, матрицы последовательных и/или параллельных переключающих ячеек) могут занимать одинаковую активную зону кристалла под отдельное устройство и/или стандартное плечо фазы, имеющее одинаковое номинальное напряжение и/или ток (без учета охранного кольца в одном из вариантов осуществления, которое может иметься для прерывания напряжения вокруг кромки кристалла). Например, для мощных полевых вертикальных МОП-транзисторов (MOSFET) удельная площадь (Ron,sp в Ом-см), как правило, пропорциональна квадрату напряжения пробоя, т.е., V. Если, скажем, формируется устройство на 1200 В с сопротивлением в открытом состоянии 10 мОм (миллиом) с площадью 1 см, то удельная площадь составляет 10 мОм-см. Устройство на 600 В с конструкцией того же типа имеет Ron,sp, равную 10 мОм-см×(600/1200), т.е., величина 10 мОм достижима с использованием 0,25 см. Если устройства на 600 В размещаются последовательно для получения переключателя на 1200 В, это дает устройство с сопротивлением 2×10 мОм с характеристикой 1200 В - в целом 0,5 см. Следовательно, два таких последовательных соединения могут дать в целом 10 мОм, например, 4×0,25 см=1 см с использованием, например, 4 микросхем. Иными словами, такое устройство на 1200 В/10 мОм занимает 1 см независимо от того, сформировано ли оно из одного устройства на 1200 В или последовательных устройства на 600 В. Данная аналогия может распространяться на любое устройство на вертикальных полевых транзисторах, например, HEMT (транзисторах с высокой подвижностью электронов) или MOSFET. (Для сравнения, биполярные устройства, такие как IGBT или диод, имеют иные характеристики I-V, включая падение напряжения в замкнутом состоянии). Для горизонтальных HEMT, например, горизонтальных HEMT на GaN, как правило, величина Ron,sp аналогичным образом пропорциональна квадрату напряжения пробоя, т.е., V. Таким образом, может применяться тот же принцип, что и для вертикальных MOSFET, т.е., множество последовательных устройств для достижения требуемого блокирующего напряжения может занимать практически такую же площадь, как и одно устройство, для того же сопротивления в открытом состоянии. Следовательно, предпочтительно в одном из вариантов осуществления, по меньшей мере, некоторые переключающие ячейки (предпочтительно все) из множества содержат устройство на вертикальных полевых транзисторах (FET), либо горизонтальный HEMT, либо переключатель мощности, а при необходимости и вспомогательный переключатель.
Как указано выше, по меньшей мере, один упомянутый переключатель мощности может содержать широкозонное полупроводниковое устройство, которое является биполярным или основанным на полевом эффекте. Например, WBG-устройство может быть основано на карбиде кремния (SiC) или нитриде галлия (GaN), например, MOSFET на SiC или HEMT на GaN. Дополнительно или в качестве альтернативы вспомогательный переключатель является таким WBG-устройством. Предпочтительно и переключатель мощности, и вспомогательный переключатель, по меньшей мере, одной ячейки - а предпочтительно всех - являются WBG-устройствами. Дополнительно или в качестве альтернативы любой один или более из переключателя мощности и/или вспомогательного переключателя ячеек может содержать WBG-устройство в виде, например, IGBT, MOSFET, HEMT, биполярного плоскостного транзистора (BJT), полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (JFET), GTO (запираемого тиристора) или коммутируемого по затвору тиристора GCT и т.д. Контур коммутации с низкой индуктивностью для каждого переключателя мощности может аналогичным образом обеспечивать улучшенную работу, такую как более быстрое переключение или пониженное энергопотребление, при использовании неширокозонных устройств.
Вспомогательный переключатель, по меньшей мере, одной упомянутой переключающей ячейки может быть физически меньше, чем переключатель мощности переключающей ячейки; например, он может иметь меньшую площадь полупроводника и/или меньший корпус по объему и/или занимаемой площади. Дополнительно или в качестве альтернативы вспомогательный переключатель может иметь более низкую номинальную мощность, чем переключатель мощности. Либо, например, возможна ситуация, в которой вспомогательное устройство, в основном, лишь передает ток, когда выход схемы, содержащей множество ячеек, изменяется линейно, например, ступенчато на фронте, в то время как переключатели мощности могут передавать ток, когда выход  ветви фазы находится в установившемся состоянии, и/или плечи фазы находятся в своих соответствующих состояниях полного включения и полного выключения (все переключатели мощности или вспомогательные переключатели в одном из вариантов осуществления включены, например, выход  ветви фазы считается находящимся в своем состояние «высокого» уровня или «низкого» уровня потенциала DC+ или DC- соответственно) и/или в тех случаях, когда выход  ветви фазы изменяется между промежуточными состояниями (частичного включения).
Предпочтительно, по меньшей мере, одна из переключающих ячеек имеет резистор параллельно элементу индуктивности ячейки в переключающей ячейке. Такой резистор может гасить колебания, которые возникают из-за ячейки, паразитной и/или нагрузочной индуктивности (индуктивностей) и/или емкости, такой как емкость (емкости) ячейки и/или конденсатора звена DC.
По меньшей мере, одна схема возбуждения может предусматриваться для возбуждения, по меньшей мере, одного из управляющего вывода переключателя мощности и управляющего вывода вспомогательного переключателя упомянутой переключающей ячейки. Схема возбуждения может быть выполнена с возможностью получения мощности от переключающей ячейки. Например, схема возбуждения может получать питание от упомянутого конденсатора ячейки переключающей ячейки. Дополнительно или в качестве альтернативы, возбуждение затвора может получать питание от элемента индуктивности ячейки посредством индуктивной связи. Любая такая конструкция может обеспечивать более компактную и/или менее сложную схему, например, не требуя преобразования и/или соединения дополнительных питающих шинопроводов к соответствующим напряжениям для каждой переключающей ячейки.
Учитывая конкретное применение, преобразователь мощности может содержать, по меньшей мере, одну ветвь фазы, например, полумостовую схему, содержащую два плеча фазы, подключенных для обеспечения фазного выхода для возбуждения (как правило, индуктивной) нагрузки. Одно или более таких плеч фазы - предпочтительно, например, оба плеча полумостовой ветви фазы - могут содержать множество переключающих ячеек. Любой такой фазный выход может дополнительно содержать фильтр для сокращения или фильтрации компонентов с высоким dv/dt, например, с целью защитить обмотки индуктивных нагрузок, таких как электродвигатели.
Таким образом, может быть предложен преобразователь мощности для возбуждения нагрузки, причем, преобразователь мощности содержит, по меньшей мере, одну ветвь фазы преобразователя мощности, как указано выше, каждая упомянутая ветвь фазы имеет выходную линию для возбуждения фазного входа упомянутой нагрузки. Предпочтительно, преобразователь мощности дополнительно имеет конденсатор звена, который может называться накопительным конденсатором или конденсатором звена DC. И/каждая ветвь фазы, и конденсатор звена предпочтительно подключены между первым питающим шинопроводом и вторым питающим шинопроводом.
Преобразователь мощности одного из вариантов осуществления может представлять собой многоуровневый преобразователь, например, предназначенный для обеспечения трех или более уровней выходного напряжения, а не просто переключения между низкими и высокими выходными состояниями (как в случае выходного сигнала с прямоугольной формой волны). В тех случаях, когда предусматриваются достаточные выходные уровни, выход преобразователя мощности может обеспечивать имеющий определенную форму профиль выходного напряжения, например, линейно изменяющийся или синусоидальный выход.
Предпочтительно преобразователь мощности, использующий множество переключающих ячеек, имеет номинальное выходное напряжение, по меньшей мере, 600 В, например, до 6,5 кВ и/или номинальный ток, по меньшей мере, 50 А, например, до 3,6 кА.
Преобразователь мощности может создаваться, например, модернизироваться путем замены, по меньшей мере, одного переключателя мощности на множество переключающих ячеек, как указано выше. Например, преобразователь мощности может изначально содержать плечо фазы, имеющее, по меньшей мере, один модуль переключателя мощности, такой как модуль IGBT. Указанное плечо фазы может быть заменено на плечо фазы, содержащее переключающие ячейки, как указано выше. Например, отдельный IGBT плеча фазы может быть заменен на 1- или 2-мерную матрицу переключающих ячеек. Предпочтительно, по меньшей мере, одна переключающая ячейка заменяемого плеча фазы содержит широкозонное полупроводниковое устройство (устройства) в качестве переключателя (переключателей) мощности и/или вспомогательного переключателя (переключателей) переключающей ячейки.
Аналогичным образом, создаваемый/модернизируемый преобразователь мощности может содержать плечо фазы, имеющее демпфер включения и, по меньшей мере, один модуль GTO. Демпфер и/или модуль (модули) GTO может быть заменен на плечо фазы, имеющее переключающие ячейки, как указано выше. Модуль GTO/каждый модуль GTO может содержать GTO и предпочтительно также диод переключения параллельно GTO. Если имеется диод переключения параллельно GTO, то диод может повторно использоваться в качестве одной из шунтирующих схем переключающей ячейки, например, встречно-параллельно переключателю мощности.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается способ управления преобразователем мощности для возбуждения нагрузки, причем, преобразователь мощности имеет ветвь фазы, подключенную между двумя питающими шинопроводами, ветвь фазы содержит два плеча, каждое из которых имеет множество переключающих ячеек, плечи подключены на выходе преобразователя, отличающийся тем, что каждая упомянутая переключающая ячейка содержит: переключатель мощности для проведения тока для возбуждения нагрузки; последовательное соединение, содержащее вспомогательный переключатель и конденсатор ячейки, подключенные последовательно, причем, последовательное соединение подключено параллельно переключателю мощности; и элемент индуктивности ячейки, подключенный к подключению переключателя мощности и последовательного соединения, отличающийся тем, что переключающая ячейка имеет контур коммутации для проведения тока коммутации, возникающего в результате выключения переключателя мощности, причем, контур содержит: первую шунтирующую схему для блокирования протекания тока в некотором направлении, подключенную параллельно переключателю мощности для проведения упомянутого тока коммутации в другом, противоположном направлении; вторую шунтирующую схему для блокирования протекания тока в некотором направлении, подключенную параллельно вспомогательному переключателю для проведения упомянутого тока коммутации в другом, противоположном направлении; и конденсатор ячейки, при этом способ включает в себя, по меньшей мере, один этап включения первого числа переключающих ячеек одного упомянутого плеча и выключения второго числа переключающих ячеек другого плеча для достижения некоторого профиля напряжения на выходе преобразователя и поддержания напряжения на  ветви фазы, причем, упомянутое включение переключающей ячейки включает в себя включение переключателя мощности переключающей ячейки и выключение вспомогательного переключателя переключающей ячейки, причем, первое и второе числа составляют одно или более.
Таким образом, общее напряжение на  ветви фазы может оставаться практически (например, в точности) постоянным, а увеличение или уменьшение шага вдоль профиля напряжения, например, переход к конечному (например, в состоянии полного включения или выключения плеч фазы) напряжению (например, «низкому» или «высокому» выходному состоянию  ветви фазы, как указано выше) происходит на выходной линии (например, проводе, дорожке, разъеме и/или выводе). Профиль напряжения может, например, являться прямоугольным сигналом, а шаг (шаги) может предусматривать развитие фронта/перехода между полностью включенными/выключенными состояниями плеч (например, «высокое» и «низкое» состояния, как указано выше), например, при необходимости сглаженного и/или скругленного. Предпочтительно первое и второе числа (переключающих ячеек указанных одного и другого плеч, как указано выше) являются одинаковыми.
По меньшей мере, две упомянутые переключающие ячейки любых/обоих плеч могут быть подключены параллельно, причем, способ включает в себя переключение упомянутых параллельных ячеек в различные моменты времени, например, с помощью соответствующих управляющих сигналов или иных переключателей, которые параллельно могут коммутироваться вместе с помощью совместно используемых или соответствующих синхронных управляющих сигналов.
Каждое упомянуто плечо может содержать матрицу (не обязательно имеющую решетчатую структуру), имеющую число NS строк и число NP столбцов упомянутых переключающих ячеек, причем, числа NS и NP составляют одно или более (и могут являться или не являться одинаковыми), причем, каждый упомянутый столбец содержит последовательное соединение упомянутых переключающих ячеек, подключенных между упомянутым питающим шинопроводом и выходом преобразователя, причем, способ включает в себя число этапов, меньшее или равное NS×NP, для генерирования упомянутого профиля напряжения. Различные строки могут иметь различные значения NP. Профиль напряжения на выходе предпочтительно изменяется между напряжением одного упомянутого питающего шинопровода и напряжением другого упомянутого питающего шинопровода. В таком варианте осуществления во вспомогательных переключателях могут иметь место только потери при переключении.
Последовательности переключения ячеек в любом из двух плеч или обоих вместе для обеспечения этапа (этапов) могут определять форму профиля напряжения. Таким образом, чтобы ограничивать, например, скорость изменения напряжения на фазном выходе, способ может включать в себя определение схемы импульсов переключения переключающих ячеек в соответствии со (предпочтительно необходимым максимальным) значением dv/dt перехода профиля напряжения, например, фронта прямоугольного сигнала.
Предпочтительные варианты осуществления определены в прилагаемых зависимых пунктах формулы изобретения.
Любые один или более из вышеуказанных аспектов и/или любые один или более из вышеуказанных необязательных признаков предпочтительных вариантов осуществления могут комбинироваться в любом сочетании. Кроме того, любые из вышеуказанных способов могут предлагаться в качестве соответствующего устройства, и наоборот.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Чтобы лучше понять изобретение и показать, как оно может быть реализовано, далее в качестве примера будет приводиться ссылка на прилагаемые чертежи, на которых показано:
фиг. 1 - упрощенное представление трехфазного инверторного моста. Напряжение VDC звена DC может поддерживаться соединенной на нем достаточно большой емкостью - CDC (не показана). Каждая пара устройств - Т1 и Т4, Т3 и Т6, Т5 и Т2 - называется ветвью фазы  или ветвью полумоста. В данном случае для Т1-Т6 показаны IGBT, но они могут быть заменены, например, на BJT, JFET, MOSFET, HEMT и/или GTO/GCT;
фиг. 2 - пример широтно-импульсной модуляции (ШИМ), используемой для генерирования синусоидального нагрузочного тока в индуктивно-резистивной нагрузке, показанной для одной  ветви фазы. Нижние графики представляют собой увеличенную часть верхних графиков;
фиг. 3 - реализация концепции переключающей ячейки, которая может иметь очень низкую паразитную индуктивность, реализуемую посредством компактной структуры;
фиг. 4 - взаимодействие ячейки и конденсатора звена DC через индуктивность соединения;
фиг. 5 - индуктивности между строго параллельными переключающими ячейками, которые могут приводить к колебаниям между ячейками и/или к потенциальному дисбалансу распределения тока;
фиг. 6 - основная принципиальная схема примера модуля активного демпферного устройства, например, преобразователя мощности. Модуль изображен только в качестве примера как содержащий ветвь фазы, содержащую нижнее и верхнее плечи фазы, причем, ветвь фазы подключена между первым шинопроводом DC+ и вторым шинопроводом DC-. В отношении отдельной переключающей ячейки, которая изображена содержащей последовательное соединение, имеющее конденсатор ячейки и AUX переключатель, необходимо отметить, что конденсатор ячейки и вспомогательный (ʺAUXʺ) переключатель в переключающей ячейке можно поменять местами. Переключатель мощности ячейки обозначен как «ГЛАВНЫЙ» (ʺMAINʺ) переключатель. Первая и вторая шунтирующие схемы показаны в виде диодов на ГЛАВНОМ переключателе и ВСПОМОГАТЕЛЬНОМ переключателе соответственно. Управляющая входная линия (линии) (не показана) может подключаться к выводу затвора главного переключателя и/или выводу затвора вспомогательного переключателя, хотя предпочтительно через схему возбуждения (не показана; например, блок  драйвера управления затвором gate driver unit GDU - см. фиг. 8). Результирующий прямоугольный сигнал фазного выхода - см. также на фиг. 6 - может иметь ту же частоту, что и частота в традиционном модуле полумостового устройства. Нагрузка может непосредственно соединяться с фазным выходом (хотя и с помощью, например, разъемов, проводов, дорожек и т.д., которые могут иметь значительную паразитную индуктивность);
фиг. 7 - демпфирующие резисторы, соединенные параллельно индуктивностям ячейки;
фиг. 8 - применение отдельной схемы возбуждения, например, блока драйвера управления затвором (GDU) для переключающей ячейки, использующей p-канальное ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ устройство. В этом случае GDU может быть выполнен с возможностью приема отдельного управляющего сигнала на входе GDU (не показан). Изображен факультативный резистор, подключенный к индуктивности ячейки;
фиг. 9 - пример реализации многоуровневых топологий с использованием метода активного демпфера, изображенного для 3-уровневой  ветви фазы. В частности, (i) вверху слева - тип 1 фиксирующей нейтрали (I-тип, или с диодной фиксацией); (ii) вверху справа - с фиксирующим конденсатором (или навесной конденсатор); (iii) внизу - тип 2 фиксирующей нейтрали (Т-тип, или регулятор нейтрали), причем, «+» и «-» относятся к положительному и отрицательному концам ячейки, т.е., соответственно, стоку и истоку главного переключателя и/или положительному и отрицательному концам плеч фазы;
фиг. 10 - пример построения профиля для управления dv/dt и/или снижения ЭМП. Слева вверху: три различные крутизны dv/dt с использованием различных величин скорости изменения шага; справа вверху: скругленные фронты для снижения ЭМП. Ниже: фильтр dv/dt, добавленный к фазному выходу;
фиг. 11 - пример последовательного соединения нескольких IGBT с использованием технологии активного демпфера;
фиг. 12 - пример применения активного демпфера для замены GTO на IGBT. Это может обеспечивать согласование больших паразитных индуктивностей (между  ветвью фазы  и конденсаторами главного звена DC) с IGBT в вариантах осуществления, исключающих большие выбросы напряжения на IGBT и/или поддерживающих большую скорость переключения IGBT. Слева: исходная ветвь фазы GTO (показан демпфер Унделанда), справа: заменяемая ветвь фазы IGBT с использованием двух активных демпферных переключающих ячеек; и
фиг. 13 - пример способа управления преобразователем мощности для возбуждения нагрузки, причем, преобразователь мощности имеет, по меньшей мере, одну ветвь фазы, подключенную между двум питающими шинопроводами, ветвь фазы содержит два плеча (1, 2), каждое из которых имеет множество переключающих ячеек, а плечи подключены к выходу преобразователя. Переключение переключающих ячеек А, затем В, затем С в каждом плече (этапы для В и С могут быть исключены или дополнены этапами для D, E и т.д.) может обеспечивать построение профиля выходного напряжения, такого как линейное изменение и/или переход прямоугольного сигнала.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В концепции активного демпфера, реализованной в вариантах осуществления, может рассматриваться основанная на ячейках концепция, предпочтительно (т.е., при необходимости) предусматривающая последовательную и/или параллельную работу переключающих ячеек. Она может быть применима к широкозонным (WBG) устройствам и, следовательно, может обладать потенциалом упрощения их применения в преобразователях мощности.
Чтобы способствовать пониманию концепции активного демпфера, сначала рассмотрим индуктивное (жесткое) переключение.
В подавляющем большинстве преобразователей мощности напряжение прямоугольного сигнала генерируется из фиксированного источника DC (например, батареи конденсаторов) с использованием мощных полупроводниковых переключающих устройств, таких как BJT, IGBT, MOSFET, JFET, GTO или HEMT. Такой прямоугольный сигнал подается на индуктивно-резистивную нагрузку для генерирования относительно сглаженного тока, как переменного, так и постоянного. Как правило, на используемой частоте переключения нагрузка оказывается, главным образом, индуктивной, следовательно, ток в ней может реагировать только на среднее значение прямоугольного сигнала. См. на фиг. 1 упрощенное представление трехфазового инверторного моста, а на фиг. 2 показано типичные формы кривых напряжения и тока для отдельной  ветви фазы (синусоидальная ШИМ).
При выключении активного переключающего устройства (Тх) ток, протекающий через нагрузку, продолжает протекать ввиду своего индуктивного характера. Поэтому диод (Dx) обратной цепи на противоположной стороне  ветви фазы включается для создания пути тока в противоположный питающий шинопровод DC. Когда переключающее устройство вновь включается, диод обратной цепи выключается.
Коммутация между верхним и нижним устройствами в  ветви фазы в момент переключения приводит к потерям при переключении, поскольку в течение небольшого периода времени и высокое напряжение, и ток присутствуют в одном или обоих переключателях. Чем длительнее этот период времени, тем больше энергия, рассеиваемая в каждый момент переключения. Средние потери мощности при переключении представляют собой не что иное, как потери энергии при переключении (включении и выключении), умноженные на частоту переключения прямоугольного сигнала. Это составляет значительную часть потерь мощности моста, другая часть представляет собой диэлектрические потери на электропроводность (падение напряжения на каждом переключателе с током, протекающим в замкнутом состоянии).
Скорость коммутации тока между устройствами в момент переключения (di/dt) со всей очевидностью влияет на потери при переключении, как указано выше. Кроме того, она приводит к потенциально опасному выбросу напряжения, возникающему из-за индуктивности контура коммутации. Данный контур коммутации содержит емкость DC, диод обратной цепи, активное переключающее устройство и проводники, соединяющие эти компоненты. Индуктивность этого контура коммутации - часто называемая паразитной индуктивностью или индуктивностью коммутации/контура - определяется площадью контура, ограниченной проводниками, например, длиной, умноженной на расстояние между ними. Каждый компонент (конденсатор, диод, переключатель) имеет собственную внутреннюю индуктивность, при этом проводники предназначены для добавления сверх этого минимальной дополнительной индуктивности; для достижения этого между переключающими устройствам и емкостью постоянного тока могут использоваться многослойные системы шин.
В любой схеме преобразователя мощности, как правило, имеется оптимальное соотношение между скоростью переключения (и, следовательно, потерями энергии при переключении) и напряжением (мощности) звена DC: с увеличением скорости переключения для снижения потерь энергии при переключении выброс напряжения, вызываемый паразитной индуктивностью, увеличивается, тем самым требуя большего запаса выше напряжения звена DC и напряжения пробоя устройства (например, диода и переключателя). Уменьшение паразитной индуктивности желательно для максимизации использования напряжения звена DC с одновременной максимизацией потерь энергии при переключении.
Традиционные кремниевые (Si) устройства, используемые в преобразователях мощности, представляют собой MOSFET для низковольтных применений (с типичными напряжениями пробоя до 600 В) и IGBT для более высоких напряжений (с типичными напряжениями пробоя в диапазоне 600 В - 6500 В). IGBT переключаются медленнее, чем MOSFET (поэтому имеют более значительные потери энергии при переключении), поскольку они являются биполярными устройствами, в то время как MOSFET являются униполярными устройствами; однако 600 В - это, как правило, та точка, выше которой диэлектрические потери на электропроводность MOSFET могут значительно превышать общее рассеяние мощности, делая IGBT, как правило, предпочтительным устройством выше этого номинального напряжения.
Широкозонные устройства - например, MOSFET на основе карбида кремния (SiC) и HEMT на основе нитрида галлия (GaN) - обладают потенциалом значительного снижения как диэлектрических потерь на электропроводность, так и потерь при переключении по сравнению с устройствами на Si. Эти полупроводниковые материалы имеют значительно более низкое удельное сопротивление в открытом состоянии, давая пониженные диэлектрические потери на электропроводность на единицу площади для сравнимого устройства на Si. Кроме того, ввиду их повышенной напряженности электрического поля, униполярные устройства, такие как MOSFET на SiC - с их быстрыми характеристиками переключения - в принципе являются конкурентоспособными вплоть до значительно более высоких номинальных напряжений, чем MOSFET на Si. Следовательно, удельные потери мощности преобразователя увеличиваются, обеспечивая более высокую плотность мощности (меньший размер при той же номинальной мощности) и/или большое потенциальное увеличение частоты переключения. Последнее является потенциально предпочтительным, поскольку оно позволяет уменьшать размер, стоимость и/или потери остальной части преобразователя, такой как элемент индуктивности, конденсаторы и резисторы.
Однако применение широкозонных устройств не является однозначным. Если WBG-устройства, такие как MOSFET на SiC или HEMT на GaN, заменяют, например, существующие IGBT, то типичные паразитные индуктивности (десятки нГ), связанные с высокими скоростями переключения WBG-устройства, вызывают большие отношения di/dt и, следовательно, большой выброс напряжения. Указанный большой выброс напряжения уже является проблемой в существующих основанных на IGBT преобразователях, поэтому увеличение di/dt в 5-10 раз может сделать выброс напряжения достаточно большим, чтобы ограничить ток и/или разрушить устройство. Замедление переключения WBG-устройства уменьшает это, но может увеличить потери при переключении до значений, типичных для IGBT на Si, тем самым сводя к нулю какие-либо преимущества широкой запрещенной зоны.
Исходя из вышесказанного, успешное применение WBG-устройств может основываться на значительном снижении паразитной индуктивности контура коммутации, обеспечивая повышенную скорость переключения - и, следовательно, значительно пониженные потери при переключении - для раскрытия преимуществ WBG-технологии.
В связи с этим, рассмотрим далее концепцию переключающего элемента.
Компактные переключающие ячейки могут извлекать максимум производительности из быстродействующих широкозонных мощных полупроводниковых устройств. Ячейка может содержать или представлять собой отдельную ветвь фазы - т.е., верхнее или нижнее переключающее устройство - и локальный конденсатор ячейки. Локальный конденсатор ячейки не заменяет главный конденсатор DC, но может создавать малоиндуктивный путь коммутации для переключения устройства. Это подробнее показано на фиг. 3.
Очень малая индуктивность (контура) коммутации может достигаться путем реализации физически небольшой ячейки, при этом проводники предпочтительно размещаются при наличии возможности в структуре полосковой линии для минимизации площади контура. Чтобы достичь небольшого физического размера, переключающая ячейка предпочтительно имеет низкий номинальный ток (например, десятки ампер) и низкое номинальное напряжение (например, несколько десятков вольт); в остальных случаях проводники и изоляционные расстояния могут стать слишком большими, делая ячейку физически крупной. Еще один недостаток повышенного номинального напряжения состоит в том, что конденсатор ячейки может стать физически больше для того же значения емкости.
Значения для индуктивностей контура переключающей ячейки могут находиться в диапазоне 0,5-5 нГ. Даже при использовании очень высоких скоростей di/dt при выключении, связанных с широкозонными устройствами, посредством этого могут достигаться значения выброса напряжения, такие как 5% или ниже (относительно напряжения в закрытом состоянии). Следовательно, использование компактной переключающей ячейки может обеспечивать очень низкие потери при переключении в совокупности с высоким напряжением мощности DC (относительно напряжения пробоя устройства).
Конденсатор ячейки предпочтительно не является большим по емкости - в диапазоне 1-10 мкФ - с целью сохранения небольшой паразитной индуктивности. Функция накопления энергии в звене DC при этом обеспечивается основными конденсаторами DC; следовательно, проводники, связывающие питание DC ячейки с главным звеном DC могут иметь отношение к минимизации взаимодействия (колебания) между конденсатором ячейки и главным конденсатором звена DC.
Далее рассмотрим применение переключающих ячеек к высокомощным устройствам мощности.
Чтобы содействовать распространению на рынке WBG-устройств для преобразователей повышенной мощности, например, с помощью модулей мощности с запирающими напряжениями >600 В и номинальными токами >50 А, существует преимущество, если устройства компонуются в привычном формате: предпочтительно имеющем гальванически развязанное основание на нижней стенке для переноса тепла и винтовые выводы на верхней стенке для соединения с выводами мощности устройства. Отступление от таких корпусов, используемых в преобразователях с номинальными значениями устройства на уровне 1200 В и 400 А и выше, может заставить разработчиков преобразователя значительно изменить свои конструкции инверторного моста, что может создавать препятствие для распространения. Пределы величиной 600 В и 50 А могут быть доступными для отдельной ячейки, при этом паразитная индуктивность ячейки не становится слишком большой.
Еще одним средством, способствующим распространению на рынке, является, конечно, низкая стоимость.
При создании основных соединений DC между переключающей ячейкой и емкостью звена DC представляет интерес индуктивность этого соединения. Даже малоиндуктивное соединение от надлежащим образом спроектированного существующего модуля устройства через многослойную систему шин может обладать индуктивность контура приблизительно 30 нГ (например, для мощных преобразователей с использованием устройств на 1200 или 1700 В); следовательно, это может считаться приемлемым значением для индуктивности между конденсатором ячейки и главным конденсатором звена DC. Принимая во внимание, что конденсатор звена DC может быть порядка 1 мкФ и выше, его напряжение в момент переключения может быть практически постоянным. Результирующее колебание может вследствие этого возникать между конденсатором ячейки и индуктивностью между ячейкой и конденсаторами DC, при этом данное колебание предпочтительно надлежащим образом демпфируется для снижения/исключения выброса и звона (последнее является проблемой для электромагнитных помех (ЭМП)). На фиг. 4 это показано более понятно.
Для номинальных значений свыше 50 А можно рассмотреть возможность попросту подключить ячейки параллельно и переключать их одновременно. Однако параллельные ячейки могут иметь дополнительный режим колебания в дополнение к ранее выявленному между ячейкой и конденсаторами звена DC, а именно, между параллельными переключающими устройствами через выходную индуктивность ячейки и индуктивность соединения DC. Это аналогично параллельному подключению микросхем внутри модуля IGBT, при котором может оказаться сложным управлять колебаниями между микросхемами и/или динамическим распределением тока. В модуле IGBT внутренние сопротивления затвора могут использоваться для дополнительного демпфирования за счет эффективности переключения; колебание может также быть уменьшено посредством демпфирования, поскольку дифференциальное сопротивление параллельных микросхем является высоким как раз в то время, когда они переключаются (поскольку они находятся в активной области, т.е., высокого тока и высокого напряжения). Распространение множества переключающих ячеек с использованием WBG-устройств может приводить к подобным колебаниям, но без какого-либо дополнительного демпфирования от дополнительных сопротивлений затвора, и - поскольку устройства переключаются очень быстро через активную область - с незначительным демпфированием или без него со стороны дифференциального сопротивления устройства. Это показано на фиг. 5.
Еще одной проблемой может являться погрешность между устройствами. Например, имеются значительный разброс в пороговом напряжении для МОП-запираемых устройств между микросхемами устройства, который может дополнительно осложнять параллельную работу микросхем, влияя на синхронизацию переключения и/или активную межэлектродную проводимость устройства.
Достижение высокого коэффициента демпфирования для этих режимов колебаний может зависеть от высокого демпфирующего сопротивления последовательно индуктивности (это может быть нецелесообразным из-за его потерь мощности) и/или демпфирующего сопротивления параллельно индуктивности (это может быть сложным, поскольку индуктивность является распределенной). Если емкость ячейки повышается, последовательное сопротивление демпфирования становится меньше; это может оказаться предпочтительным, поскольку собственное сопротивление проводника может в данном случае быть подходящим для демпфирования, но большая емкость ячейки может ставить под сомнение небольшой размер ячейки. Еще одна возможность состоит в повышении индуктивности между конденсаторами, чтобы сделать ее сосредоточенной (дискретной) таким образом, что можно добавлять демпфирующий резистор; однако это может иметь положительный эффект только для отдельной переключающей ячейки, поскольку это может влиять на эффективность параллельных переключающих ячеек.
Кроме того, если требуются номинальные напряжения свыше 600 В, использование последовательно соединенных устройств или переключающих ячеек может ослаблять ограничения на изоляционные расстояния, посредством этого сохраняя низкую индуктивность контура коммутации. Поэтому достижение номинальных значений устройства на уровне 3300 В и больше, т.е., устройств для преобразователей среднего напряжения может быть реализовано с использованием рассчитанных на более низкое напряжение деталей.
В некоторых сферах применения имеется также дополнительная проблема, относящаяся к высокой скорости переключения WBG-устройств, а именно, dv/dt. Скорость изменения напряжения на каждом фронте прямоугольного сигнала, создаваемого  ветвью фазы , как правило, является проблемой для электродвигателей и некоторых индуктивностей из-за результирующего тока, протекающего через их емкость изоляции. Инверторные электродвигатели обычно могут справляться со значениями dv/dt до 3 кВ/мкс, что выше, чем у стандартных электродвигателей (обычно 1 кВ/мкс). Однако даже традиционные IGBT могут создавать до 7 кВ/мкс, в то время как WBG-устройства обычно находятся в диапазоне 20-200 кВ/мкс. Следовательно, WBG-устройствам может потребоваться фильтр dv/dt с соответствующими расходами, размерами и/или потерями. Альтернативой является уменьшение скорости переключения WBG-устройства, но она может доходить до скоростей переключения IGBT, исключая какие-либо достоинства WBG-устройств.
Следовательно, желательна топология соединений между ячейками для обеспечения распространения множества переключающих ячеек в практических конверторах, причем, такая топология предпочтительна для: (а) развязки конденсаторов ячеек друг от друга; (b) специального введения индуктивности между параллельными переключающими ячейками для улучшения распределения тока (предпочтительно без введения колебаний); и/или (с) снижения эффективного dv/dt на выходе  ветви фазы, например, до значения традиционных IGBT-модулей на Si.
В этой связи, рассмотрим далее конкретные варианты осуществления концепции активного демпфера.
Один из вариантов осуществления топологии активного демпфера может преодолевать ограничение (ограничения) параллельного соединения множества переключающих ячеек при сохранении преимущества (преимуществ) WBG-полупроводников, например, высокую скорость переключения и, следовательно, низкие потери энергии при переключении. Основной вариант осуществления может включать в себя множество переключающих ячеек, соединенных последовательно и параллельно  плечу фазы. Как правило, ожидается, что соединение множества переключающих ячеек, таких как изображенные на фиг. 3-5, может приводить к нежелательным колебаниям между конденсаторами и индуктивностями ячеек, например, паразитными индуктивностями в переключающей ячейке, питающим шинопроводом (шинопроводами), нагрузкой и/или соединением (соединениями) фазного выхода с нагрузкой. Тем не менее, в настоящее время оно предполагается с последовательными и/или параллельными переключающими ячейками. Дополнительные детали описываются ниже; см. также фиг. 6.
Что касается топологии, множество переключающих ячеек может размещаться последовательно или параллельно в плечах фазы. Два плеча фазы соединяются с образованием  ветви фазы (полумоста): одно плечо - от фазного выхода до DC+, а другое - от фазного выхода до DC-. Переключающие ячейки могут соединяться параллельно плечам фазы (см. горизонтальные связи на фиг. 6). Дополнительно или в качестве альтернативы переключающие ячейки могут соединяться последовательно плечам субфазы, при этом они затем соединяются параллельно на фазном выходе (пропущенные горизонтальные линии).
Каждая переключающая ячейка может содержать два активно управляемых переключателя - каждый со своим собственным встречно-параллельным диодом (или эквивалентной характеристикой, обеспечиваемой переключателями) - и конденсатор ячейки DC, поддерживающий напряжение VCELL. Переключатель мощности (ГЛАВНЫЙ) и вспомогательный переключатель (AUXILIARY; AUX) переключаются взаимосвязанным образом: когда ГЛАВНЫЙ включается, ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ыключается, и наоборот. Это может обеспечивать переключение напряжения Vo каждой переключающей ячейки между напряжение 0 В и +VCELL, в то же время обеспечивая протекание тока в любом направлении. (Необходимо отметить, что может быть реализован небольшой период «бестоковой паузы» для задержки включения главного и/или вспомогательного переключателя, чтобы избежать проводимости прострела; эта пауза может зависеть от скорости переключения устройств (переключателей)). На фиг. 6 это показано подробнее.
Переключающие ячейки могут переключаться в серии шагов для построения напряжения прямоугольного сигнала на выходе преобразователя, как показано на фиг. 6. Ячейки в каждом плече  ветви фазы могут переключаться в противофазе, т.е., взаимосвязанно, например, ячейка номер k верхнего плеча может переключаться с 0 В на +VCELL, когда ячейка k нижнего плеча переключается с +VCELL на 0 В. Таким образом, общее напряжение на  ветви фазы, как правило, постоянно при VDC=NS×VCELL, где NS - число последовательных ячеек в каждом плече. Во время работы напряжение на конденсаторе ячейки может оставаться приблизительно постоянным.
Каждая переключающая ячейка предпочтительно имеет последовательную индуктивность, называемую индуктивностью ячейки. Это может по существу давать ячейке индуктивную нагрузку для переключения на нее в вариантах осуществления, обеспечивающих разность напряжений между ячейками в течение коротких периодов времени без введения значительного изменения тока. Иными словами, индуктивность ячейки может: (а) обеспечивать жесткое переключение в каждой ячейке; и/или (b) компенсировать разность в вольт-секундах, возникающую из-за смещения времени между взаимосвязанными ячейками в верхнем и нижнем плечах. Предлагается, чтобы величины индуктивности ячейки и/или конденсатора ячейки определялись - например, вычислялись - на основе ожидаемого диапазона внешних индуктивностей контура (например, посредством главной батареи конденсаторов звена DC). С учетом того, как значения компонентов ячейки могут быть связаны со значениями внешней индуктивности, суммарная индуктивность на всех ячейках (равная (Ns/Np)×Lcell для матрицы) может иметь величину, практически равную или превышающую индуктивность внешнего контура через звено DC и главную батарею конденсаторов DC одного из вариантов осуществления.
Как правило, источник мощности может иметь значительную индуктивность, по меньшей мере, в одном соединении от  ветви фазы к главному накопительному конденсатору (звена DC). В конструкциях такая индуктивность может иметься, например, в соединении от переключателя мощности к соответствующему конденсатору батареи конденсаторов. Внешняя индуктивность может составлять порядка, например, 30 нГ. (В варианте осуществления преобразователя внешняя индуктивность через звено DC и батарею конденсаторов DC может зависеть от номинального напряжения преобразователя: как правило, чем больше номинальное напряжение, тем больше индуктивность контура. Для преобразователя с устройствами на 1200 В и 1700 В она может составлять приблизительно 30 нГ, но у преобразователя, использующего устройства на 4500 В и 6500 В, она может быть значительно выше (в отдельных случаях >100 нГ)). Нежелательные колебания LC из-за такой индуктивности могут, тем не менее, быть уменьшены за счет обеспечения распределенной индуктивности, т.е., с помощью множества элементов индуктивности множества переключающих ячеек. Каждый такой  элемент индуктивности ячейки может иметь одинаковую индуктивность в качестве внешней индуктивности, например, 10 нГ или 30 нГ.
Параллельные переключающие ячейки могут переключаться различными способами, например: (i) все параллельные ячейки могут переключаться одновременно; (ii) параллельные ячейки могут переключаться по отдельности. (Это может относиться к любым двум или более параллельным ячейкам и, следовательно, может относиться ко всем ячейкам одного из вариантов осуществления). Вариант (i), как правило, не является таким же, как жесткое параллельное подключение ячеек, как описано выше в отношении применения переключающих ячеек к устройствам большой мощности, поскольку конденсаторы ячеек не соединены непосредственно параллельно; кроме того, элемент индуктивности ячеек могут упрощать распределение тока между ячейками ( элементы индуктивности могут помогать распределению параллельных ячеек путем обеспечения средства для компенсации различий в вольт-секундах между ячейками. Это различие может иметь место, если напряжения конденсаторов ячеек неодинаковы, и/или моменты времени переключения ячеек не являются одинаковыми. Как правило, чем больше индуктивность, тем меньше результирующая разность токов между ячейками в одном из вариантов осуществления). Вариант (ii) может обеспечивать чередование параллельных ячеек, давая дополнительное подразбиение профиля шага напряжения, например, увеличение числа шагов от NS до NS×NP (где NP - число параллельно соединенных ячеек).
Структура импульсов переключающих ячеек по ходу каждого фронта переключения может управляться для уравновешивания напряжений конденсаторов ячеек и/или токов  элементов индуктивности ячеек. (Такая структура импульсов может соответствовать последовательности включения и выключения ячеек одного из вариантов осуществления, например, последовательных и параллельных ячеек, таких как могут иметься в матрице из NS×NP ячеек. Каждый шаг структуры импульсов может включать одну или более параллельных и/или последовательных ячеек плеча и выключать одну или более таких ячеек другого плеча ветви фазы ). В одном из вариантов осуществления напряжение ячейки и/или ток и элемента индуктивности может контролироваться локальной измерительной схемой и передаваться в центральный контроллер. Центральный контроллер может вычислять среднее значение и передавать его назад в ячейку. В одном из вариантов осуществления для достижения этого порядок переключения может изменяться от первого фронта профиля выходного напряжения (например, с низкого на высокое) до второго фронта (например, с высокого на низкое, предпочтительно сразу после первого фронта). Второй фронт может наступать после длительности времени ВЫСОКОГО УРОВНЯ после первого фронта. В одном из вариантов осуществления, обеспечивающем по существу фазный выход прямоугольного сигнала, длительность времени ВЫСОКОГО (НИЗКОГО) УРОВНЯ может зависеть от скважности прямоугольного сигнала для данного конкретного цикла переключения.
С учетом работы переключателей во время различных частей профиля напряжения, такого как прямоугольный сигнал, в каждой переключающей ячейке плеча  ветви фазы только ГЛАВНОЕ устройство, соединенное между выводами ячейки, может передавать ток проводимости в течение времени между фронтами выходного напряжения, например, времени, когда все ячейки в плече находятся при ~0 В (т.е., имеют ~0 В на них, поскольку их ГЛАВНЫЕ устройства включены). ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ устройство, соединенное последовательно конденсатору ячейки в переключающей ячейке, может только передавать ток, когда ячейки плеча изменяются линейно (ступенчато) на протяжении фронта, поскольку в тех случаях, когда все ячейки в плече находятся при Vo=VCELL (ГЛАВНЫЕ устройства выключаются), фазный выход соединяется с противоположной полярностью, т.е., подключается к шинопроводу через другое плечо. Так, в одном из вариантов осуществления ГЛАВНОЕ устройство (устройства) может обнаруживать потери при переключении и диэлектрические потери на электропроводность, в то время как ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ устройство (устройства) может обнаруживать только потери при переключении. (Хотя, если в одном из примеров осуществления выход фазной ветви не отклоняется на всем протяжении до шинопроводов DC (Ns×Vcell), то при этом, как правило, имеются одна или более ячеек с вспомогательным переключателем и конденсатор ячейки, подключенные в обоих плечах, которые потенциально дают протекание через них тока проводимости. Это может приводит к значительным диэлектрическим потерям на электропроводность вспомогательного переключателя и/или требованию значительной емкости ячейки соответственно). При наличии ограничений тока насыщения и/или теплового сопротивления ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ устройство может вследствие этого быть физически значительно меньше, чем ГЛАВНОЕ устройство. Аналогичным образом, конденсаторы ячеек только передают ток на протяжении фронта, поэтому также могут быть небольшими, тем самым поддерживая небольшой физический размер переключающей ячейки. Размеры каждого конденсатора ячейки могут зависеть от номинального тока и/или напряжения ячейки. Например, 1-10 мкФ может оказаться подходящим для напряжения ячейки величиной 200 В и/или номинального тока ячейки (переключатель мощности, т.е., главное устройство) около 300 А.
Следствие предыдущего абзаца может состоять в том, что AUX устройство и конденсатор ячейки по существу обеспечивают действие демпфера на ГЛАВНОМ устройстве в переключающей ячейке. Именно это приводит к термину «активный демпфер».
(В варианте осуществления максимальный фазный выход от  ветви фазы не может достигать +NS×Vcell и/или -NS×Vcell, например, чередовать +/-NS×Vcell (где NS - число переключающих ячеек в плече  ветви фазы, предпочтительно одинаковое в обоих плечах). Так, фазный выход может иметь меньшую амплитуду, чем максимально возможная с конкретным значением (значениями) NS. Однако, если выход  ветви фазы не отклоняется на всем протяжении до +NS×Vcell и/или -NS×Vcell, то ток может при этом протекать через остальные конденсаторы ячеек, не отключаемые переключателями мощности (главными устройствами) в плече, при этом вспомогательные переключатели соответствуют конденсаторам ячеек, которые включены. Следовательно, ток проводимости может протекать и через вспомогательные переключатели (это может приводить к диэлектрическим потерям на электропроводность помимо потерь при переключении), и через конденсаторы ячеек (это может приводить к появлению требования очень больших конденсаторов ячеек, чтобы избежать больших изменений напряжения на конденсаторах ячеек). Таким образом, предпочтительный режим работы - это когда максимальный фазный выход от  ветви фазы чередует +/-NS×Vcell. Предпочтительно фазный выход отклоняется на всем протяжении до NS×Vcell на каждом фронте/переходе профиля выходного напряжения, т.е., каждая ячейка в каждом плече переключается.
Конденсаторы ячеек предпочтительно изолированы друг от друга и от конденсатора DC, например,  элементами индуктивности ячеек, тем самым минимизируя возможность колебаний. Взаимодействие может при этом определяться - как правило, уменьшаться -  элементами индуктивности ячеек, при необходимости с использованием факультативных параллельных демпфирующих резисторов (см. фиг. 7), и/или структурой импульсов. (Необходимо отметить, что демпфирующие резисторы в среднем рассеивают очень мало мощности). Значения  элементов индуктивности ячеек могут, например, быть такими, что в одном варианте осуществления суммарная индуктивность на всех ячейках матрицы ячеек (равная (Ns/Np)×Lcell) имеет величину, равную или превышающую индуктивность внешнего контура через звено DC и главную батарею конденсаторов DC. Что касается значений факультативных демпфирующих резисторов, сопротивление демпфирования параллельно каждому  элементу индуктивности ячейки одного из вариантов осуществления предпочтительно приблизительно равно: R ячейки=квадратный корень(L ячейки/C ячейки). Это, как правило, основывается на критическом демпфировании колебаний LC.
В сущности говоря, коммутация происходит только внутри каждой ячейки, поэтому низкоиндуктивный контур коммутации может потребоваться реализовать только внутри каждой ячейки, а не на всем плече.
Переключающие ячейки могут, например, состоять из низковольтных WBG-устройств, хотя варианты осуществления не ограничиваются использованием таких устройств. Каждый конденсатор ячейки в ячейке может быть установлен вблизи устройств (например, переключателей и факультативного диода (диодов)) в ячейке, потенциально давая очень низкую индуктивность контура коммутации. Это может обеспечивать достаточно быстрое переключение (например, величины времени нарастания и/или спада 10 наносекунд или менее для каждого переключателя мощности, т.е., главного устройства), чтобы воспользоваться преимуществами быстродействующих WBG-устройств. Однако частота переключения ячеек должна быть равной частоте прямоугольного сигнала (ШИМ) в одном из вариантов осуществления.
Отдельные обратные диоды не требуются, например, если используются устройства типа FET (например, переключатель (переключатели) мощности или вспомогательный переключатель (переключатели)), например, MOSFET на основе Si или SiC, либо HEMT на основе GaN. Такие устройства могут: (а) иметь встроенные паразитные диоды или эквивалентную характеристику; и/или (b) использоваться в режиме обратной проводимости, например, используемом при синхронном выпрямлении. Что касается (b), устройство может обеспечивать протекание тока в обратном направлении через канал при нахождении в замкнутом состоянии. Исключение любого обратного диода может сэкономить место в корпусе.
В одном из вариантов осуществления ввиду того, что индуктивность контура коммутации и, следовательно, выброс напряжения может быть очень небольшим внутри каждой ячейки, напряжение конденсатора ячейки может быть очень близким к напряжению пробоя переключающих устройств ячейки, например, напряжению пробоя основного переключателя. Следовательно, напряжение звена DC одного из вариантов осуществления может быть ближе к суммарным напряжениям пробоя ячеек (NS×VBR) с допуском на рассогласованность напряжений ячеек, т.е., когда не все напряжения ячеек одинаковы. Это может приводить к более высокому напряжению звена DC для заданного напряжения пробоя и/или к меньшим диэлектрическим потерям на электропроводность для того же напряжения звена DC. Предпочтительно для такой рассогласованности предусматривается запас таким образом, что если ячейки одного из вариантов осуществления несколько неправильно распределяют напряжение, то ячейка с наибольшим напряжением не может превышать номинальное напряжение пробоя VBR главного переключателя. По сравнению, например, с IGBT, имеющими максимальное напряжение звена DC (в закрытом состоянии), равное приблизительно 70% от напряжения пробоя, если индуктивность контура является низкой, один из вариантов осуществления может, тем не менее, быть направленным на достижение, например, 90% от напряжения пробоя.
Каждая ячейка может иметь два небольших блока драйвера управления затвором - один для ГЛАВНОГО устройства и один для ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО устройства. В качестве альтернативы, n-канальное устройство может использоваться для ГЛАВНОГО переключателя, а р-канальное устройство - для ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО переключателя, позволяя использовать один блок драйвера управления затвором (привязанный к выводам истока двух переключающих устройств). Это показано на фиг. 8. (Обычно р-канальные устройства не используются для устройств мощности, поскольку их сопротивление приблизительно в 3 раза больше сопротивления n-канальных устройств ввиду различия в подвижности между электронами и дырками; однако в данной сфере применения характеристики проводимости ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО устройства могут представлять меньший интерес).
Может быть реализована подходящая сеть передачи данных для обмена данных со схемой переключения и управления ей по всем ячейкам в модуле  ветви фазы.
Полное плечо фазы одного из вариантов осуществления может считаться эквивалентным отдельному переключателю в традиционной  ветви фазы. Следовательно, «отдельные переключающие» устройства на основе топологии активного демпфера - например, для замены отдельных IGBT - также могут быть реализованы простой компоновкой плеча фазы. Эта эквивалентность может дополнительно или в качестве альтернативы предусматривать реализацию схем многоуровневых преобразователей (например, типов 1 и 2 фиксирующей нейтрали, либо с фиксирующим конденсатором) с помощью топологии активного демпфера, см., например, фиг. 9. Необходимо отметить, что основанное на активном демпфере плечо фазы может по существу заменять отдельное устройство в многоуровневой  ветви фазы в одном из вариантов осуществления, при этом плечи фазы осуществляют взаимосвязанные переключения аналогично отдельным устройствам традиционных плеч фазы.
Для возбуждения какого-либо переключателя (переключателей) мощности и/или вспомогательного переключателя (переключателей) варианта осуществления активного демпфера предпочтительно может использоваться любая схема переключения прямоугольным сигналом, например: синусоидальная, пространственно-векторная ШИМ, ШИМ с введением третьей гармоники, прерывистая ШИМ, гистерезисное управление, скользящий режим и т.д.
Учитывая наличие элементов индуктивности ячеек, требование низкой индуктивности между переключающими ячейками и главными конденсаторами звена DC может быть ослаблено. Это может позволить использовать традиционную компоновку модуля мощности, включая винтовые выводы. Существует возможность того, чтобы индуктивность компоновки была больше, чем индуктивность традиционного модуля IGBT.
Модуль  ветви фазы активного демпфера может быть реализован в стандартном корпусе устройства  ветви фазы, например EconoDual или PrimePack. Соединения мощности с модулем активного демпфера должны вследствие этого быть идентичными существующему модулю  ветви фазы: DC+, DC- и фазный выход. Каждый модуль может содержать два плеча фазы (верхнее и нижнее), каждое из которых, например, содержит NS×NP переключающих ячеек. Каждая переключающая ячейка может иметь ГЛАВНОЕ и ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ устройства, конденсатор ячейки,  элемент индуктивности ячейки и предпочтительно подходящие блоки драйвера управления затвором. Модуль предпочтительно дополнительно содержит структуру передачи данных блока драйвера управления затвором. Питание для каждого блока драйвера управления затвором может забираться из конденсатора (конденсаторов) ячейки (если в конденсаторе ячейки имеется достаточный запас энергии) и/или из  элемента индуктивности ( элементов индуктивности) ячейки, подаваться по отдельности по изолированным подводящим проводам и/или подаваться от схем компенсационного типа (возможно, из смежной ячейки).
Переход профиля напряжения на фазном выходе - например, фронт прямоугольного импульса - может состоять из множества шагов, каждый из которых равен напряжению конденсатора ячейки (или меньше, если параллельные ячейки чередуются). Следовательно, переход или фронт может в одном из вариантов осуществления иметь профиль, соответствующий требованиям пользователя, например, не превышать 1-3 кВ/мкс, как в примере выдерживаемого расчетного значения параметра для нагрузки с изолированными обмотками. Среднее dv/dt фронта переключения может при этом устанавливаться с пониженным влиянием на потери при переключении или без него; это может быть предпочтительным, например, для электрических приводов. Дополнительно или в качестве альтернативы очень небольшой фильтр dv/dt может добавляться к фазному выходу, как показано на фиг. 10, для сглаживания ступенчатого фазного выхода. (Необходимо отметить, что указанный фильтр dv/dt может быть значительно меньше, чем требуется для традиционной полумостовой ветви фазы, поскольку фильтр может предназначаться только для фильтрации напряжения VDC/N в течение времени Тнарастания/N, а не VDC в течение времени Тнарастания (при этом Тнарастания является полной продолжительностью времени перехода профиля напряжения)). Рассеяние мощности, возникающее в результате использования такого фильтра dv/dt, может составлять порядка 1-10 Ватт, но не сотни Ватт. Кроме того, углы фронтов переключения, когда ветвь фазы начинает и заканчивает переход фронта переключения, могут в одном из вариантов осуществления легко скругляться для снижения ЭМП. Эти эффекты показаны на фиг. 10.
В тех случаях, когда конденсаторы ячеек и/или напряжения конденсаторов ячеек одинаковы, может иметься линейный градиент напряжения от DC+ к фазному выходу и от фазного выхода к выводам DC-. Это может способствовать компоновке модуля активного демпфера путем минимизации пространства, выделяемого и/или занимаемого под изоляцию, например, части поверхности изоляции или воздушного зазора.
Предпочтительно все переключающие ячейки рассеивают одинаковые потери мощности, и/или напряжения и токи ячеек сбалансированы, и в этом случае может иметь место равномерное рассеяние тепла на всех переключающих ячейках. Это может быть целесообразным при компоновке модуля активного демпфирующего устройства.
Метод активного демпфера может применяться для последовательного соединения IGBT, например, как показано на фиг. 11. В данной конфигурации каждый последовательно соединенный IGBT может иметь свой собственный конденсатор ячейки, элемент индуктивности ячейки и ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ IGBT. Метод активного демпфера может при этом обеспечивать - так же, как и в WBG-устройствах - ступенчатое изменение напряжения  ветви фазы посредством перехода профиля напряжения, такого как фронт прямоугольного сигнала. Как и в предыдущем случае, размер элемента индуктивности ячейки может иметь отношение к дополнительной индуктивности контура, например, определяться на основе нее посредством емкости звена DC.
Метод активного демпфера может применяться для замены запираемых тиристоров (GTO) в традиционных преобразователях на IGBT. Как показано на фиг. 12, ветвь фазы GTO, как правило, содержит  элемент индуктивности демпфера включения для ограничения di/dt на тиристоре при включении. Паразитная индуктивность конденсаторов DC может при этом не быть критической. Прямая замена  ветви фазы (ветвей) GTO на ветвь фазы (ветви) IGBT (без демпферов) является потенциальной проблемой, поскольку оставшаяся паразитная индуктивность конденсаторов DC может являться большой по сравнению с ожидаемой для схем с IGBT. Следовательно, переключающие ячейки с активными демпферами могут использоваться, чтобы справляться с большой паразитной индуктивностью, исключая большие выбросы напряжения в IGBT и/или сохраняя высокие скорости переключения IGBT.
Несомненно, специалисту в данной области техники придут на ум другие многочисленные эффективные альтернативы. Понятно, что данное изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления и охватывает изменения, очевидные специалисту в данной области техники и находящиеся в пределах сущности и объема формулы изобретения, прилагаемой к настоящему документу.