HV开关单元、脉冲发生组件和避免HV开关的电压不平衡的方法与流程

hv开关单元、脉冲发生组件和避免hv开关的电压不平衡的方法
技术领域
1.本发明的目的是提供一种不会遭受电压不平衡的hv开关单元。


背景技术：

2.本发明涉及一种hv开关单元，其包括多个半导体开关，所述多个半导体开关串联连接并且被配置为能够同时接通和关断。
3.不完美的驱动器同步、寄生电路部件以及串联连接以作为一个hv开关操作的半导体的特性的小偏差可能导致各个半导体开关之间的显著电压不平衡，并且由于过压或热过载而导致故障。
4.电压和/或开关频率越高，这个问题就变得越显著。
5.一种解决方案是在每个半导体开关上局部地放置箝位放电电路。二极管和电容器可提供快速箝位，放电特征则可通过有源电压限制器实现。
6.这种解决方案需要为每个半导体开关都配备一个电压限制器电路(其由多个部件组成)，尽管这些限制器中只有一些会被高效地使用。


技术实现要素：

7.根据本发明的第一方面，所述目的通过一种hv开关单元来解决，所述hv开关单元包括：
8.a.串联连接并且被配置为能够同时接通和关断的多个半导体开关，
9.b.缓冲器能量存储部件和缓冲器整流部件的串联电路，其中，串联电路并联连接到每个半导体开关，
10.c.电压平衡电路，其包括平衡电子部件、特别是整流电子部件的链以及一个电压限制电子部件，其中，
11.i.所述平衡电子部件连接在与相邻的半导体开关相关联的串联电路的缓冲器能量存储部件和缓冲器整流部件的连接点之间，
12.ii.所述平衡电子部件形成与串联连接的半导体开关并联的链，其中，所述链被配置为能够仅在一个方向上将电荷从一个缓冲器能量存储部件传输到下一个缓冲器能量存储部件，
13.iii.所述电压限制电子部件被配置为能够限制所述电荷被传输到的所述链的端部处的电压。
14.因此，平衡电子部件的链、特别是二极管链被用于将过量电荷从本地能量存储部件沿着串联的开关分散到所述链的端部处的能量存储部件、特别是最顶部或最底部的能量存储部件。可能仅需要一个电压限制部件，所述电压限制部件可以位于所述链的一端处。
15.每当hv开关(即，多个半导体开关)接通时，(二极管)链就被激活并且能量存储部件上的电压被均衡。
16.本发明的概念改善了串联连接以形成一个hv开关的多个半导体开关之间的均匀电压分布。特别地，确保了所有开关之间的差分能量耗散。本发明的概念可以应用于软开关器件(在关断之前没有电流)。
17.电阻器可以并联连接到至少一个、特别是每个缓冲器能量存储部件。这种电阻器可以耗散功率并保护电路。
18.所述链可以包括至少一个电阻器。这种电阻器改善了差分功率耗散。
19.hv开关单元的输入端口可以被配置为能够连接到电源，所述电源可以是dc电压源。hv开关可以被配置为能够接通和关断绝对值为500v或更大、特别是1000v或更大的dc电压。此外，hv开关可以被配置为能够在1ms或更少的上升时间内接通或关断。
20.缓冲器能量存储部件和缓冲器整流部件的第二串联电路可以并联连接到每个半导体开关，并且可以提供第二电压平衡电路，所述第二电压平衡电路包括平衡电子部件的串联连接结构以及至少一个电压限制电子部件，其中，
21.a.所述平衡电子部件连接在与相邻的半导体开关相关联的第二串联电路的缓冲器能量存储部件和缓冲器整流部件的连接点之间，
22.b.所述平衡电子部件形成与所述hv开关并联的链，其中，所述链被配置为能够仅在一个方向上将电荷从一个缓冲器能量存储部件传输到下一个缓冲器能量存储部件。
23.因此，提供了第二链，并且每个链都可以在另一个方向上传输电荷。因此，可以实现双向平衡，从而改善平衡性能。
24.与同一个电压平衡电路相关联的串联电路可以具有相同顺序的缓冲器能量存储部件和缓冲器整流部件。因此，可以实现在不同方向上传输能量或电荷的两个链。所以可以在相反的方向上传输能量。
25.第二串联电路的每个缓冲器能量存储部件可以与能量消耗或耗散元件并联连接，从而改善平衡。消耗能量也可以意味着将能量传输到另一电路。
26.至少一个缓冲器能量存储部件可以是电容器，特别地，所有缓冲器能量存储部件都可以是电容器。使用电容器可以容易地且成本有效地实现能量存储部件。
27.至少一个缓冲器整流部件可以是二极管，特别地，所有缓冲器整流部件都可以是二极管。可以使用二极管容易地控制能量或电荷传输的方向。
28.电压限制电子部件可以包括电压检测部件，特别是齐纳二极管、或当其上的电压高于参考电压时能够消耗能量的任何其它电路。特别地，过压可以由电压检测电路检测，然后导致功率晶体管中的功率耗散，这可以由电压检测部件触发。因此，链的端部处的缓冲器能量存储部件处的电压受到限制。电压限制电子部件可以包括回收电路以将能量传输回电源。
29.第一或最后开关可以被置于稳定电位上，并且电压限制元件可以被置于所述被置于稳定电位上的开关附近。这种开关通常位于构成hv开关的晶体管的链的端部处。稳定电位可以是例如地或大地，它也可以是高于或低于地或大地并且在预定时段内不改变其相对于地或大地的电压的任何电位。
30.在另一方面，本发明涉及一种用于向负载、特别是等离子体工艺供应电压脉冲的脉冲发生组件，所述组件具有用于连接到电源的输入端口和用于连接到负载的输出端口。所述脉冲发生组件包括连接在所述输入端口与所述输出端口之间的根据本发明的第一hv
开关单元和/或连接在所述输出端口与公共端口之间的根据本发明的第二hv开关单元，所述公共端口被配置为接地。这种脉冲发生组件可以被用于向等离子体工艺供应电压脉冲形式的能量，例如用于在基材上进行等离子体蚀刻或材料的等离子体沉积。然而，本发明的脉冲发生组件还存在其它应用领域。
31.脉冲发生组件可以被配置为能够供应具有与输入端口处的dc电压相对应的电压的脉冲。特别地，脉冲发生组件可以被配置为能够供应持续时间为1ms或更短的脉冲。
32.在另一个方面，本发明涉及一种避免由串联连接的多个半导体开关组成的hv开关在所述hv开关接通时的电压不平衡的方法，所述方法包括以下步骤：
33.a.将缓冲器能量存储部件和缓冲器整流部件的串联电路并联连接到每个半导体开关，
34.b.通过提供与所述半导体开关并联的平衡电子部件的链来分散来自所述能量存储部件的过量电荷，
35.c.通过提供电压限制电子部件来限制链的开始端或结束端处的电压，所述电压限制电子部件并联于与串联连接的半导体开关中的第一或最后半导体开关相关联的缓冲器能量存储部件。
36.过量电荷可以仅在一个方向上分散，或者可以为每个半导体开关提供缓冲器能量存储部件和缓冲器整流部件的第二串联电路，并且可以提供第二平衡电子部件的链，其中，每个链仅在一个方向上分散电荷。
37.两个hv开关可以串联连接，所述串联连接可以连接到dc源，在hv开关的连接点处的输出端口可以连接到等离子体负载，并且可以控制hv开关使得脉冲电压被供应到负载、特别是等离子体负载。
附图说明
38.图1示出了在第一方向上传输电荷的hv开关单元的第一实施例，
39.图2示出了在第二方向上传输电荷的hv开关单元的第二实施例；
40.图3示出了在两个方向上传输电荷的hv开关单元的第三实施例；
41.图4示出了脉冲发生组件。
具体实施方式
42.图1示出了hv开关单元1的第一实施例。hv开关单元1包括串联连接并且被配置为能够同时接通和关断的多个半导体开关s1、si、sn。与每个半导体开关s1、si、sn并联地设置有缓冲器能量存储部件c11、ci1、cn1(在这种情况下实施为电容器)和缓冲器整流部件d11、di1、dn1(在这种情况下实施为二极管)的串联电路2、3、4。
43.电压平衡电路5包括平衡部件、特别是整流部件d12、di2(在这种情况下实施为二极管)的链。电压平衡电路5还包括一个电压限制电子部件vlimit。电压平衡电路5的链还可以包括电阻器r12、ri2。平衡部件d12、di2和可选的电阻器r12、ri2连接在与相邻的半导体开关s1、si、sn相关联的串联电路2、3、4的缓冲器能量存储部件c11、ci1、cn1和缓冲器整流部件d11、di1、dn1的连接点之间。换句话说，平衡部件d12、di2和电阻器r12、ri2的串联布置结构连接两个相邻的串联电路2、3、4。串联布置结构本身串联连接。
44.平衡部件d12、di2形成与串联连接的半导体开关s1、si、sn并联的链，其中，所述链被配置为能够仅在一个方向上将电荷从一个缓冲器能量存储部件c11、ci1、cn1传输到下一个缓冲器能量存储部件。在所示实施例中，电荷从缓冲器能量存储部件cn1传输到缓冲器能量存储部件ci1，并且从缓冲器能量存储部件ci1传输到缓冲器能量存储部件c11。
45.电压限制电子部件vlimit被配置成能够限制电荷或能量所传输到的链的端部处的电压。为此，电压限制电子部件vlimit包括：电压检测部件、特别是齐纳(zener)二极管或者能够检测上升到参考电压以上的电压的任何其它电路，以及当检测到的电压高于参考电压时能够消耗能量的消耗器。消耗器可以是晶体管。消耗器可以是能够将能量反馈回到外部电路或部件的一部分中的电路(例如逆变器)，所述外部电路或部件例如是诸如电容器的能量存储部件。
46.电阻器r11、ri1、rn1并联连接到每个缓冲器能量存储部件c11、ci1、cn1。
47.提供端口6、7，端口6、7中的至少一个可连接到电源、特别是dc电源。
48.图2所示的hv开关单元10对应于图1的hv开关单元1，不同之处在于串联电路2、3、4的部件的顺序颠倒并且电压限制电子部件vlimit位于电压平衡电路5的另一端处。特别地，电压限制电子部件与缓冲器能量存储部件cn1和电阻器rn1并联连接。
49.在图2所示的实施例中，电荷从缓冲器能量存储部件c11传输到缓冲器能量存储部件ci1，并且从缓冲器能量存储部件ci1传输到缓冲器能量存储部件cn1。
50.图3是图1和图2所示的实施例的组合。图3所示的hv开关单元100包括第一和第二电压平衡电路5、5
′
，并且为每个开关s1、s1、sn都提供了第一和第二串联电路2、3、4、2
′
、3
′
、4
′
。
51.在电压平衡电路5中，电荷被向上传输到缓冲器能量存储部件c11，并且多余的能量被消耗在电压限制部件vlimit中。在电压平衡电路5
′
中，电荷被传输到缓冲器能量存储部件cn1，即向下传输，并且多余的能量被消耗在电压限制部件vlimit
′
中。
52.图4示出了具有串联连接的两个hv开关单元101、102的脉冲发生组件20。hv开关单元101、102中的每一个都可以被实施为hv开关单元1、10、100中的一个。
53.脉冲发生组件具有用于连接到电源、特别是dc电源的端口21、22。输出端口23连接到hv开关单元101、102的连接点。脉冲电压可以在端口23处输出并供应给负载、例如等离子体负载。

技术特征：
1.一种hv开关单元(1、10、100、101、102)，其包括：a.串联连接并且被配置为能够同时接通和关断的多个半导体开关(s1、si、sn)，b.缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)和缓冲器整流部件(d11、di1、dn1)的串联电路(2、3、4、2
′
、3
′
、4
′
)，其中，串联电路(2、3、4、2
′
、3
′
、4
′
)并联连接到每个半导体开关(s1、si、sn)，c.电压平衡电路(5、5
′
)，其包括平衡部件、特别是整流部件(d12、di2)的链以及一个电压限制电子部件(vlimit、vlimit
′
)，其中，i.所述平衡电子部件(d12、di2)连接在与相邻的半导体开关(s1、si、sn)相关联的串联电路(2、3、4、2
′
、3
′
、4
′
)的缓冲器能量存储部件(c1、ci、cn)和缓冲器整流部件(d11、di1、dn1)的连接点之间，ii.所述平衡电子部件(d12、di2)形成与串联连接的半导体开关(s1、si、sn)并联的链，其中，所述链被配置为能够仅在一个方向上将电荷从一个缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)传输到下一个缓冲器能量存储部件，iii.所述电压限制电子部件(vlimit、vlimit
′
)被配置为能够限制所述电荷被传输到的所述链的端部处的电压。2.根据权利要求1所述的hv开关单元，其中，能量消耗或耗散元件、特别是电阻器(r11、ri1、rn1)与至少一个、特别是每个缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)并联连接。3.根据前述权利要求中任一项所述的hv开关单元，其中，所述链包括至少一个电阻器(r12、ri2)。4.根据前述权利要求中任一项所述的hv开关单元，其中，输入端口(6、7)被配置为能够连接到电源、特别是dc电压源。5.根据前述权利要求中任一项所述的hv开关单元，其中，缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)和缓冲器整流部件(d11、di1、dn1)的第二串联电路(2、3、4、2
′
、3
′
、4
′
)并联连接到每个半导体开关(s1、si、sn)，并且提供第二电压平衡电路(5、5
′
)，所述第二电压平衡电路(5、5
′
)包括平衡电子部件(d12、di2)的串联连接结构以及至少一个电压限制电子部件，其中，a.所述平衡电子部件(d12、di2)连接在与相邻的半导体开关(s1、si、sn)相关联的第二串联电路(2、3、4、2
′
、3
′
、4
′
)的缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)和缓冲器整流部件(d11、di1、dn1)的连接点之间，b.所述平衡电子部件(d12、di2)形成与所述hv开关并联的链，其中，所述链被配置为能够仅在一个方向上将电荷从一个缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)传输到下一个缓冲器能量存储部件。6.根据前述权利要求中任一项所述的hv开关单元，其中，与同一个电压平衡电路(5、5
′
)相关联的串联电路(2、3、4、2
′
、3
′
、4
′
)具有相同顺序的缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)和缓冲器整流部件(d11、di1、dn1)。7.根据前述权利要求中任一项所述的hv开关单元，其中，所述第二串联电路(c11、ci1、cn1)的每个缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)能够与能量消耗或耗散元件、特别是电阻
器(r11、ri1、rn1)并联连接。8.根据前述权利要求中任一项所述的hv开关单元，其中，至少一个缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)是电容器，特别地，所有缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)都是电容器。9.根据前述权利要求中任一项所述的hv开关单元，其中，至少一个缓冲器整流部件(d11、di1、dn1)是二极管，特别地，所有缓冲器整流部件(d11、di1、dn1)都是二极管。10.根据前述权利要求中任一项所述的hv开关单元，其中，所述电压限制电子部件(vlimit、vlimit
′
)包括电压检测部件。11.根据前述权利要求中任一项所述的hv开关单元，其中，所述第一或最后开关(s1、si、sn)被置于稳定电位下，并且所述电压限制电子部件(vlimit、vlimit
′
)被置于所述被置于稳定电位下的开关(s1、si、sn)附近。12.一种脉冲发生组件(20)，所述脉冲发生组件(20)用于向负载、特别是等离子体工艺供应电压脉冲，具有用于连接到电源的输入端口(21)和用于连接到负载的输出端口(23)，包括连接在所述输入端口(21)和所述输出端口(23)之间的根据前述权利要求中任一项所述的第一hv开关单元(101)和/或连接在所述输出端口(23)和公共端口(22)之间的根据前述权利要求中任一项所述的第二hv开关单元(102)，所述公共端口(22)被配置为接地。13.根据权利要求12所述的脉冲发生组件，其中，所述脉冲发生组件(20)被配置为能够供应具有与所述输入端口(21)处的dc电压相对应的电压的脉冲。14.根据前述权利要求12或13中任一项所述的脉冲发生组件，其中，所述脉冲发生组件(20)被配置为能够供应持续时间为1ms或更短的脉冲。15.一种避免由串联连接的多个半导体开关(s1、si、sn)组成的hv开关在所述hv开关接通时的电压不平衡的方法，所述方法包括以下步骤：将缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)和缓冲器整流部件(d11、di1、dn1)的串联电路(2、3、4、2
′
、3
′
、4
′
)并联连接到每个半导体开关(s1、si、sn)，通过提供与所述半导体开关(s1、si、sn)并联的平衡电子部件的链来分散来自所述能量存储部件(c11、ci1、cn1)的过量电荷，通过提供电压限制电子部件(vlimit、vlimit
′
)来限制所述链的开始端或结束端处的电压，所述电压限制电子部件(vlimit、vlimit
′
)并联于与串联连接的半导体开关(s1、si、sn)中的第一或最后半导体开关(s1、si、sn)相关联的缓冲器能量存储部件(c11、ci1、cn1)。

技术总结
一种HV开关单元(1、10、100、101、102)，其包括a.串联连接并且被配置为能够同时接通和关断的多个半导体开关(S1、Si、Sn)；b.缓冲器能量存储部件(C11、Ci1、Cn1)和缓冲器整流部件(D11、Di1、Dn1)的串联电路(2、3、4、2


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：通快许廷格有限公司
技术研发日：2021.07.26
技术公布日：2023/8/9