專利名稱：低損耗大功率換流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低損耗大功率換流器。
幾年來(lái)一直宣傳作為通用的注入電壓的脈沖換流器的替代方案的用于傳動(dòng)技術(shù)的諧振換流器，旨在大幅度地降低開關(guān)損耗和最佳地利用由此產(chǎn)生的諸如功率密度較高、開關(guān)頻率較高等優(yōu)點(diǎn)。另外基于在開關(guān)過程中負(fù)載小的原因之故，因而半導(dǎo)體可以開關(guān)控制較高的電流且因此所能承受的滿載荷可以更高。
其缺點(diǎn)是，對(duì)為形成開關(guān)過程中的電流和電壓變化必須附加采用的部分有源和無(wú)源器件將付出很大的額外代價(jià)。在部分開關(guān)器件上將產(chǎn)生較高的峰值電流和峰值電壓。另外在一些諧振換流器中還必須采用完全不同于迄今方式的控制方法。
一種與其它電路相比只有微量限制的方案被稱作輔助諧振換向極(ARCP)換流器。在ARCP換流器中不會(huì)出現(xiàn)高于脈沖換流器中的開關(guān)器件的峰值負(fù)載并且可以采用已知的控制方法且僅需就靜止時(shí)間和最短脈沖時(shí)間進(jìn)行適配。對(duì)器件和控制電子部分付出的額外代價(jià)適中并且必須結(jié)合所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)照慣用的卸載網(wǎng)絡(luò)綜合進(jìn)行考慮。
在R.W.De Doncker和J.P.Lyons發(fā)表于電氣與電子工程師學(xué)會(huì)-LAS年會(huì)會(huì)議錄1990，1228至1235頁(yè)中的題為“輔助諧振換向極變換器”中對(duì)ARCP-換流器的工作方式做了記載。在這樣一個(gè)ARCP換流器中諧振電容器與每個(gè)大功率半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)聯(lián)。另外有一個(gè)由與諧振電感串聯(lián)的輔助開關(guān)構(gòu)成的輔助電路，該輔助開關(guān)將直流電壓-中間電路-電容器的中點(diǎn)與換流器相的輸出端子連接。作為輔助開關(guān)備有兩個(gè)帶反并聯(lián)的二極管的半導(dǎo)體開關(guān)，這些二極管串聯(lián)，從而使其陰極-或發(fā)射極-或源極-端子相互連接在一起。作為半導(dǎo)體開關(guān)可以采用SCRs(對(duì)稱截止晶閘管)、GTOs(門電路斷開晶閘管)、ZTOs(齊納斷開晶閘管)或MCTs(MOS控制晶閘管)。作為大功率半導(dǎo)體開關(guān)例如可以采用GTOs、MCTs、IGBTs(絕緣門雙極晶體管)或LTRs(大功率晶體管)。
在用自動(dòng)換流器對(duì)較大功率的三相用電器，例如在兆瓦范圍的三相電機(jī)饋電時(shí)，則存在對(duì)高壓范圍內(nèi)的相同電壓的要求。為滿足此要求，根據(jù)目前的半導(dǎo)體技術(shù)水平必要時(shí)必須將半導(dǎo)體器件串聯(lián)。
在M.德姆羅、K.豪伊曼、H.于爾根森和G.施比斯發(fā)表于國(guó)際動(dòng)力工程會(huì)議-橫濱′95會(huì)議錄，1634至1638頁(yè)的題為“在諧振變換器中IGBT的串聯(lián)”中揭示了一種諧振換流器，其橋臂整流器分別由一個(gè)由三個(gè)IGBT構(gòu)成的串聯(lián)電路構(gòu)成。每個(gè)大功率開關(guān)器都備有一個(gè)諧振電容器。
每個(gè)橋臂的二個(gè)器件的串聯(lián)電路的一種有利的方案是擴(kuò)展的三相電流橋電路。在該電路中對(duì)應(yīng)于端子o，交流端子的電壓可取三個(gè)值+Ud/2、零和-Ud/2。所以它也被稱做自動(dòng)三點(diǎn)式換流器或三點(diǎn)式換流器。
本發(fā)明的目的在于，提出一種大功率換流器，其大功率半導(dǎo)體開關(guān)應(yīng)能低損耗地進(jìn)行開關(guān)控制。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即設(shè)置一個(gè)具有如權(quán)利要求1所述特征的換流器。
由于每個(gè)分別與一由兩個(gè)電容器的串聯(lián)電路構(gòu)成的直流電壓-中間電路并聯(lián)的換流器相具有一個(gè)分別有兩個(gè)大功率半導(dǎo)體開關(guān)的上半橋和下半橋，所述半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)分別通過一個(gè)去耦二極管與直流電壓-中間電路的兩個(gè)電容器的連接點(diǎn)連接，因而實(shí)現(xiàn)一個(gè)三點(diǎn)式換流器相的結(jié)構(gòu)。該三點(diǎn)式換流器相還備有其它的器件。這些其它的器件是一個(gè)輔助電路和為換流器相的大功率半導(dǎo)體開關(guān)至少備有一個(gè)諧振電容器。輔助電路由分別用于換流器的上半橋和下半橋的一個(gè)輔助開關(guān)構(gòu)成，這兩個(gè)輔助開關(guān)與一諧振電感連接。該輔助電路將換流器相的輸出端子分別與直流電壓中間電路的兩個(gè)電容器的中間端子連接。其中輔助開關(guān)的端子與直流電壓中間電路的電容器的中間端子并且諧振電感的端子與換流器相的輸出端子連接。
通過該輔助開關(guān)振蕩回路接線(諧振電感和至少一個(gè)諧振電容器)被接通或斷開。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)換流器相的大功率半導(dǎo)體開關(guān)的開斷瞬間的確定，從而可以采用通常的脈沖寬度調(diào)制方法。因此該換流器相的大功率半導(dǎo)體在電壓為零時(shí)可通過該器件接通和斷開(零電壓換向(ZVS)原理)。該輔助電路的輔助開關(guān)按照零電流換向(ZCS)原理同樣可以開斷去載工作。在采用ZCS原理工作時(shí)輔助開關(guān)在電流為零時(shí)接通和斷開。即在該換流器相采用的半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行低損耗通斷。
這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)作為具有權(quán)利要求1所述特征的低損耗大功率換流器的三點(diǎn)式的ARCP換流器，這種換流器將三點(diǎn)式換流器的優(yōu)點(diǎn)與ARCP換流器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，其中至少僅需采用一個(gè)諧振電容器。
在低損耗大功率換流器的換流器相的一個(gè)有益的實(shí)施形式中替代輔助電路中的諧振電感備有兩個(gè)諧振電感，這兩個(gè)諧振電感分別與一個(gè)輔助開關(guān)串聯(lián)。
有關(guān)低損耗大功率換流器的換流器相的進(jìn)一步有益的實(shí)施方式請(qǐng)參見從屬權(quán)利要求3至12。
下面將對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，在附圖中對(duì)低損耗的大功率換流器的換流器相的實(shí)施例作了圖示。


圖1為本發(fā)明的低損耗大功率換流器的換流器相的第一實(shí)施形式；圖2為該換流器相的有益的實(shí)施形式；圖3至5為換流器相的進(jìn)一步實(shí)施形式；圖6為將圖1和圖3的實(shí)施形式結(jié)合在一起的換流器相的實(shí)施形式；圖7為由圖3和圖4的實(shí)施形式構(gòu)成的一實(shí)施形式；圖8為將圖1、3和4的實(shí)施形式結(jié)合在一起的換流器相的實(shí)施形式。
圖1中示出低損耗大功率換流器的換流器相2的結(jié)構(gòu)，其中該換流器相2并聯(lián)接在直流電壓-中間電路4上。換流器相2具有一個(gè)上面的半電橋6和一個(gè)下面的半電橋8，它們分別含有兩個(gè)帶有反并聯(lián)的二極管D1、D2和D3、D4的大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1、T2和T3、T4。大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T2或T3和T4的連接點(diǎn)10或12利用一去耦二極管D5或D6與直流電壓-中間電路4的兩個(gè)電容器Co和Cu的連接點(diǎn)M連接。
直流電壓-中間電路4的電容器Co或Cu分別被分成兩個(gè)容量相同的電容器Co1和Co2或Cu1和Cu2，其電容值分別是直流電壓 中間電路4的電容器Co或Cu的電容值的兩倍。作為直流電壓-中間電路4的電容器Co或Cu也可以是一個(gè)帶有中間抽頭的電容器。
另外，該換流器相2具有輔助電路14，該輔助電路由一上輔助開關(guān)16和一下輔助開關(guān)18以及一個(gè)諧振-電感LR構(gòu)成。這兩個(gè)輔助開關(guān)16和18與諧振-電感LR串聯(lián)。輔助開關(guān)16及18分別由兩個(gè)帶有反并聯(lián)的二極管D7和D8或D9和D10的半導(dǎo)體開關(guān)T7和T8或T9和T10構(gòu)成。通過該輔助開關(guān)16或18，電容器Co1和Co2或Cu1和Cu2的連接點(diǎn)20或22經(jīng)諧振-電感LR與換流器相2的輸出端子24連接。
另外至少為換流器相2的大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1......T4配備一個(gè)諧振-電容器CR，該諧振電容器接在換流器相2的輸出端子24與直流電壓-中間電路4的連接點(diǎn)M之間。
采用諸如GTOs、MCTs、IGBTs或LTRs等可斷開的大功率半導(dǎo)體開關(guān)作為大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1......T4，其中在附圖中示出的是GTOs。作為輔助電路16和18的半導(dǎo)體開關(guān)T7......T10可以采用SCRs、GTOs、ZTOs或MCTs，其中例如在附圖中示出的是GTOs。
圖2示出換流器相2的一種有益的實(shí)施形式，其中對(duì)與圖1相同的器件用相同的附圖標(biāo)記加以標(biāo)示。對(duì)照?qǐng)D1的實(shí)施形式，在圖2中用兩個(gè)諧振電感LR1和LR2替代一個(gè)諧振電感LR。這兩個(gè)諧振電感LR1和LR2分別與一個(gè)輔助開關(guān)16或18串聯(lián)。另外對(duì)照換流器相2的實(shí)施形式用兩個(gè)諧振電容器CR1和CR2替代諧振電容器CR。兩個(gè)諧振電感LR1和LR2也可以與圖1的諧振電容器CR結(jié)合在一起使用。
圖3的換流器相2的實(shí)施形式與圖1的實(shí)施形式的區(qū)別在于，用兩個(gè)諧振電容器CR1和CR2替代一個(gè)諧振電容器CR。這兩個(gè)諧振電容CR1和CR2分別與上半橋6和下半橋8的外部功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T4電力并聯(lián)。在其它方面，該實(shí)施形式與圖1所示實(shí)施形式完全一致。
圖4的換流器相2的實(shí)施形式與圖1的實(shí)施形式的區(qū)別在于，用兩個(gè)諧振電容器CR11和CR12替代一個(gè)諧振電容器CR。諧振電容器CR11及CR12設(shè)置在上及下功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T2或T3和T4的連接點(diǎn)10或12與直流電壓中間電路4的兩個(gè)電容器Co和Cu的連接點(diǎn)M之間。在其它方面，該實(shí)施形式與圖1的實(shí)施形式相同。
圖5的換流器相2的實(shí)施形式與圖1的實(shí)施形式的區(qū)別在于，用兩個(gè)諧振電容器CRo和CRu替代一個(gè)諧振電容器CR。諧振電容器CRo或CRu與上半橋6或下半橋8的大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T2或T3和T4并聯(lián)。在其它方面，該實(shí)施形式與圖1的實(shí)施形式相同。
圖6的換流器相2的實(shí)施形式是圖1和圖3實(shí)施形式的結(jié)合，與此相比圖7的換流器相2的實(shí)施形式是圖3和圖4實(shí)施形式的結(jié)合并且圖8的換流器相2的實(shí)施形式是圖1、3和4的實(shí)施形式的結(jié)合。
圖1和3至8的換流器相2的實(shí)施形式分別僅具有一個(gè)諧振電感LR。替代該諧振電感LR，圖1和3至8的換流器相2的實(shí)施形式也可以有如圖2所示的兩個(gè)諧振電感LR1和LR2。
下面將借助由下功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和T4到上功率半導(dǎo)體開關(guān)T1或D1和T2或D2(說(shuō)明部分A)以及反向(說(shuō)明部分B)的換向過程，對(duì)本發(fā)明低損耗大功率換流器的圖3的換流器相2的工作方式加以說(shuō)明。其中設(shè)定，負(fù)載電流iL經(jīng)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和T4向換流器相2流動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)換向過程，必須由直流電壓中間電路4的連接點(diǎn)M產(chǎn)生不同的電壓(在此例如通過采用直流電壓中間電路4的電容器Co和Cu的附加分壓形成1/4Ud、3/4Ud)。這些電壓通過輔助開關(guān)16和18加在諧振電感LR上并因此在中間點(diǎn)起著電源作用。
A)相輸出電壓由電流-Ud/2向電位+Ud/2的換向1)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4的斷開由于負(fù)載電流iL順換流器相2的方向流動(dòng)，大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和T4對(duì)電流進(jìn)行控制。諧振電容器CR2放電并且諧振電容器CR1被充電到+Ud/2。輔助開關(guān)18在電流為零時(shí)(零電流換向)因此被無(wú)損耗地接通，從而在諧振電感LR上一個(gè)由于1/4 Ud的接入而形成的正電流與由大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和T4控制的負(fù)載電流iL疊加。一旦電流iL和iR(流經(jīng)諧振電感LR的電流)的和大得足以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)開關(guān)速度時(shí)，則大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4在電壓零的情況下因此無(wú)損耗地(零電壓換向)被斷開。和電流被換接到并聯(lián)的諧振電容器CR2上。一旦在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4上的電壓達(dá)到值+Ud/2時(shí)，去耦二極管D6開始導(dǎo)通，從而使換流器相2的輸出端子24與直流電壓中間電路4的連接點(diǎn)M連接。電流iR和iL的和流經(jīng)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和去耦二極管D6。這時(shí)在諧振電感LR中的電流iR通過電路輔助開關(guān)18、諧振電感LR、大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和去耦二極管D6被電壓-1/4 Ud抵銷。由于否則輔助開關(guān)18必須斷開并且輔助開關(guān)16必須接通，此點(diǎn)對(duì)輔助開關(guān)不再無(wú)損耗地(零電流換向)出現(xiàn)，換句話說(shuō)出現(xiàn)的過壓將會(huì)對(duì)開關(guān)器件造成危害，所以這時(shí)在換流器相2內(nèi)不得有其它的換向。接著大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2被無(wú)損耗地接通。從而為電流過零的情況建立了相應(yīng)的電路。
當(dāng)負(fù)載電流iL大得足以使電壓自己并充分迅速地實(shí)現(xiàn)換向，則輔助開關(guān)18不會(huì)被觸發(fā)并且大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4被直接斷開。在此情況時(shí)就節(jié)省了在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4和T3和輔助開關(guān)16和18中的損耗。以下的過程與所述過程相同。
2a)斷開大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3(負(fù)載電流iL方向保持不變)在諧振電感LR無(wú)電流后，輔助開關(guān)16被無(wú)損耗接通(零電流換向)。諧振電感LR在電壓1/4 Ud上被充磁。一旦電流和iL和iR充分大時(shí)，則大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3被斷開。電流通過二極管D2換向至與大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1并聯(lián)的諧振電容器CR1上，該電容器這時(shí)由+Ud/2放電至零。這時(shí)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1被無(wú)損耗地接通(零電壓換向)。大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3的觸發(fā)電壓轉(zhuǎn)換到值Ud/2上，從而使電壓Ud/加在換流器相2的輸出端子24上。諧振電感LR被-1/4Ud去磁。而且在這里輔助開關(guān)16將被斷開，直至諧振電感LR去磁完畢。
當(dāng)電流大到足以使電壓自動(dòng)并且充分地實(shí)現(xiàn)換向時(shí)，則輔助開關(guān)16不會(huì)被觸發(fā)并且大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3被直接斷開。在此情況時(shí)節(jié)省了在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和輔助開關(guān)16上的損耗。
2b)斷開大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3(負(fù)載電流iL改變符號(hào))由于電流iL過零點(diǎn)勢(shì)必造成這時(shí)負(fù)載電流iL流經(jīng)電路去耦二極管D5和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2。在諧振電感LR無(wú)電流后，輔助開關(guān)16被無(wú)損耗地接通(零電流換向)。諧振電感LR在電壓1/4Ud上被充磁，從而使負(fù)載電流iL這時(shí)換向到電路輔助開關(guān)16和諧振電感LR上。去耦二極管D5和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2因此無(wú)電流。經(jīng)輔助開關(guān)16和諧振電感LR附加輸入的電流iR流經(jīng)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和去耦二極管D6。一旦電流差iR-iL充分大時(shí)，則大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3被斷開。電流通過二極管D2換向到與大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1并聯(lián)的諧振電容器CR1上，該電容器這時(shí)由+Ud/2被放電到零。這時(shí)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1被無(wú)損耗地接通(零電壓換向)。在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3上的電壓轉(zhuǎn)換到值Ud/2上，從而使電壓Ud/2加到換流器相2的輸出端子24上。諧振電感LR被-1/4 Ud去磁。而且這里輔助開關(guān)16將被斷開，直至諧振電感LR被去磁。大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T2的斷開過程與上述大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和T4的斷開相同。
3)快速換向由諧振電感LR的去磁時(shí)間將產(chǎn)生一定的最短停留狀態(tài)±Ud/2和零，這些狀態(tài)有時(shí)是不希望出現(xiàn)的并可以通過由-Ud/2向+Ud/2的快速換向加以避免。這種換向過程既可以通過輔助開關(guān)16的觸發(fā)，又可以通過輔助開關(guān)18的觸發(fā)加以實(shí)現(xiàn)，其中應(yīng)選擇由輔助開關(guān)18控制的充磁時(shí)間稍長(zhǎng)于由輔助開關(guān)16控制的標(biāo)準(zhǔn)換向時(shí)間。在采用此方法時(shí)，一旦電流iL和iR的和超過一定的釋放極限值，大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4首先被斷開。iL和iR的和電流換向到與大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4并聯(lián)的諧振電容器CR2上。一旦在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4上的電壓達(dá)到值+Ud/2時(shí)，去耦二極管D6開始導(dǎo)通，從而使電壓零加到換流器相2的輸出端子24上。電流iR和iL的和流經(jīng)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和去耦二極管D6。這時(shí)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3被斷開，從而使電流iR和iL經(jīng)二極管D2換向到與大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1并聯(lián)的諧振電容器CR1上，該電容器這時(shí)由+Ud/2放電到零。這時(shí)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T2被無(wú)損耗地接通。諧振電流iR消磁并且二極管D1和D2導(dǎo)通負(fù)載電流iL。
B)相輸出電壓由電位+Ud/2變換到電位-Ud/21)反并聯(lián)二極管D1的斷開過程電流iL和iR在瞬間流經(jīng)反并聯(lián)的二極管D1和D2。為實(shí)現(xiàn)這些晶體管D1和D2的換向，負(fù)載電流iL必須被換接到諧振電感LR上并且附加的電流iR-iL必須被換接到大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T2上。此點(diǎn)通過輔助開關(guān)16的觸發(fā)加以實(shí)現(xiàn)。電流iR升高超過值iL，直至在諧振電感LR中已存儲(chǔ)了換向所需的能量。一旦實(shí)現(xiàn)該狀況，則大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1被斷開并且用在諧振電感LR中剩余的電流(iR-iL)對(duì)諧振電容器CR1再充電，從而使電壓Ud/2加在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1上。諧振電感LR通過回路去耦二極管D5、大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2、-Ud/4和諧振電感LR去磁。在此時(shí)間內(nèi)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3無(wú)損耗地在電壓消失的情況下被接通。負(fù)載電流iL接著繼續(xù)流經(jīng)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3、去耦二極管D6和連接點(diǎn)M。
2a)電壓-Ud/2加在換流器相2的輸出端子24上(電流的符號(hào)不改變)為此必須接通輔助開關(guān)18，負(fù)載電流iL換向到支路諧振電感LR、輔助開關(guān)18和-1/4 Ud上。諧振電感LR中的電流iR升高，直至達(dá)到負(fù)載電流iL以及用于換向所需的能量(通過去耦二極管D5和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2饋送)。這時(shí)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2被無(wú)損耗地?cái)嚅_并接收電壓。在電壓零時(shí)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4被無(wú)損耗地接通，這是因?yàn)镈3和D4導(dǎo)通諧振電流iR。諧振電感LR被電壓Ud/4去磁。
2b)電壓-Ud/2加在換流器相2的輸出端子24上(電流的符號(hào)改變)負(fù)載電流iL流經(jīng)去耦二極管D5和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2。在此情況時(shí)電流iL的方向比上述符號(hào)變換后的換向過程更為有利。輔助開關(guān)被無(wú)損耗地接通。一附加的電流與流經(jīng)去耦二極管D5和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2的電流相疊加，直至達(dá)到換向所需的能量。這時(shí)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2被無(wú)損耗地接通并接收電壓。在電壓為零時(shí)，大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4被無(wú)損耗地接通，這是因?yàn)槎O管D3和D4導(dǎo)通諧振電流iR之故。諧振電感LR被電壓Ud/4消磁。
3)快速二極管換向同樣與在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1......T4中相同，在二極管空載時(shí)可快速地實(shí)現(xiàn)由電壓+Ud/2向-Ud/2的轉(zhuǎn)換。在諧振電感LR通過輔助開關(guān)16或18被相應(yīng)預(yù)通電流后(與在二極管空載時(shí)相同，負(fù)載電流iL被換接至輔助支路)，一旦負(fù)載電流iL與諧振電流iR的差超過一定的釋放極限值，則首先大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1被斷開。其中通常釋放極限值選得要高于在標(biāo)準(zhǔn)換向時(shí)的釋放極限值。剩余的電流換向到與大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1并聯(lián)的諧振電容器CR1上。一旦在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1上的電壓達(dá)到值+Ud/2時(shí)，去耦二極管D5導(dǎo)通，從而使電壓零加在換流器相2的輸出端子24上。諧振電流iR和負(fù)載電流iL的差流經(jīng)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2和去耦二極管D5。這時(shí)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2被斷開，電流通過二極管D3換向到與大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4并聯(lián)的諧振電容器CR2上，該電容器這時(shí)由+Ud/2被放電到零。由于二極管D3和D4導(dǎo)通諧振電流iR，故當(dāng)電壓為零時(shí)，大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和T4被無(wú)損耗地接通。諧振電感LR去磁。
替代上述的重疊工作方式(輔助開關(guān)16和18的導(dǎo)通時(shí)間與待斷開的大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1......T4的導(dǎo)通時(shí)間相重疊)，也可以設(shè)置沒有重疊的導(dǎo)通時(shí)間的工作方式。就本發(fā)明的大功率換流器，下面將借助由低損耗大功率換流器的換流器相2下面的大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3、T4向上面的大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1及D1、T2及D2的換向過程對(duì)該選用工作方式作進(jìn)一步說(shuō)明。
其中參照?qǐng)D3的換流器相2。
設(shè)定，負(fù)載電流iL順換流器相2的方向流經(jīng)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和T4。
A)換流器相2的輸出端子24上的電位由-Ud/2經(jīng)電位零變換成+Ud/21)斷開大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4由于電流iL順換流器相2的方向流動(dòng)，大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和T4導(dǎo)通電流iL。振蕩回路電容器CR2被放電并且諧振電容器CR1被充電到+Ud/2。首先大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4被斷開。負(fù)載電流iL換向到諧振電容器CR2上并開始對(duì)后者充電。當(dāng)負(fù)載電流iL充分大時(shí)，電壓可以充分迅速地升高。至少在負(fù)載電流小的情況下建議附加采用輔助電路14。在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4消弧后由諧振電感LR對(duì)輔助開關(guān)18卸載并因此輔助開關(guān)可被無(wú)損耗接通。在諧振電感LR中由于1/4 Ud的接入產(chǎn)生一正的諧振電流iR，該正的諧振電流在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和諧振電容器CR2中與負(fù)載電流iL疊加并隨之加速了換向過程。一旦在諧振電容器CR2上的電壓超過值Ud/4時(shí)，諧振電流iR再次變小。一旦在諧振電容器CR2上的電壓并隨之在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4上的電壓達(dá)到值+Ud/2時(shí)，去耦二極管D6開始導(dǎo)通。換流器相2位于零狀態(tài)。在此時(shí)刻諧振電流iR重新減小。負(fù)載電流iL這時(shí)流經(jīng)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和去耦二極管D6。大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2被無(wú)損耗地接通。采用此方式為電流過零的情況建立了相應(yīng)通路。
2a)斷開大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3(負(fù)載電流iL保持方向不變)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3被斷開。電流iL通過二極管D2換向到與大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1并聯(lián)的諧振電容器CR1上，該電容器此時(shí)由電位+Ud/2被放電到零。而且在這里當(dāng)必要時(shí)可接入用于加速換向過程的輔助電路14。為此可以無(wú)損耗地接通輔助開關(guān)16。諧振電感LR在電壓UCR1-1/4 Ud上被充磁并且在換向過程的接續(xù)過程中又被消磁。在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3上的電壓變換到值Ud/2上。因此電位Ud/2加在換流器相2的輸出端子24上。二極管D1接收負(fù)載電流iL。此時(shí)二極管D1和D2因此導(dǎo)通。
2b)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3被斷開(負(fù)載電流iL改變其符號(hào))由于電流iL過零導(dǎo)致這時(shí)負(fù)載電流iL流經(jīng)電路去耦二極管D5和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2。換接過程這時(shí)基本與-Ud/2加在輸出端子24時(shí)的過程相同；但參與的是鏡象部件。首先大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3被斷開。由于大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3無(wú)電流，故此點(diǎn)不發(fā)生作用。接著輔助開關(guān)16被無(wú)電流地接通。諧振電感LR在電壓1/4 Ud上被充磁，負(fù)載電流iL這時(shí)換向到輔助電路16和諧振電感LR上。去耦二極管D5和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2因此無(wú)電流。去耦二極管D5的反向電流將導(dǎo)致附加電流(|IR|-|IL|＞0)對(duì)諧振電感LR的過載，該附加電流與上述工作方式相同將用于加速電容器電壓的再充電。在二極管反向電流中斷后，該差電流流經(jīng)二極管D2，進(jìn)入諧振電容器CR1。隨之在諧振電容器CR1上的電壓由電位Ud/2變換到零，從而使電位+Ud/2這時(shí)加在換流器相2的輸出端子24上。尚未被完全減少的剩余電流iR-iL這時(shí)流經(jīng)二極管D1，從而使電壓零加在大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1上并使大功率半導(dǎo)體開關(guān)被無(wú)損耗地接通(零電壓換向)。當(dāng)二極管反向電流不足以使諧振電容器CR1完全放電時(shí)，則大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1必須在最小阻斷電壓(約Ud/2的20％)的瞬間被接通。由于諧振電容器CR1向大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1放電產(chǎn)生的損耗通常與慣常的接通過程中的接通損耗相比要少。大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T2的斷開過程與上述大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3和T4的斷開過程相同。
B)相輸出電壓由電位+Ud/2經(jīng)電位零變換到-Ud/21)反并聯(lián)二極管D1的斷開過程電流iL在瞬間流經(jīng)二極管D1和D2。為實(shí)現(xiàn)二極管D1和D2的換向，負(fù)載電流iL必須轉(zhuǎn)接到諧振電感LR上。此過程通過接通輔助開關(guān)16啟動(dòng)。諧振電流iR升高，超過負(fù)載電流iL值，直至二極管D1的反向電流被中斷。當(dāng)二極管反向電流充分大時(shí)將在諧振電感中LR中存貯換向過程所需的能量。一旦二極管D1截止，則諧振電容器CR1將被諧振電感LR中的剩余電流(iR-iL)再充電。大功率半導(dǎo)體開關(guān)T1接收電壓Ud/2。諧振電感LR經(jīng)去耦二極管D5和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2被Ud/4去磁。在此時(shí)間內(nèi)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3在電壓零情況下被無(wú)損耗地接通，負(fù)載電流iL接著流經(jīng)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3、去耦二極管D6和連接點(diǎn)M。當(dāng)二極管D1的反向電流不足以使諧振電容器CR1上的電壓完全換向時(shí)，則大功率半導(dǎo)體開關(guān)T3在剩余電壓的情況下必須被接通，其中諧振電容器CR1被更為迅速地放電到零。但產(chǎn)生的損耗能量相對(duì)較小。
2a)電位-Ud/2加在換流器相2的輸出端子24上(電流沒有改變其符號(hào))為此可以首先將大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2斷開(無(wú)電流，無(wú)作用)。接著必須將輔助開關(guān)18接通，從而使負(fù)載電流iL換向到支路諧振電感LR、輔助開關(guān)16、1/4 Ud。在電感LR中的電流iR升高，直至該電流達(dá)到負(fù)載電流iL以及去耦二極管D6的反向電流并隨之達(dá)到用于換向所需的能量。在此瞬間去耦二極管D6和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2開始接收電壓(D6截止)。在電壓零時(shí)大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4被無(wú)損耗地接通，這是因?yàn)槎O管D3和D4導(dǎo)通附加電流iR。諧振電感LR被電壓Ud/4去磁。在二極管反向電流過小時(shí)在這里還需要在電壓最低的情況下有效地接通大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4。
2b)將-Ud/2電位加在換流器相2的輸出端子24上(電流改變其符號(hào))負(fù)載電流iL流經(jīng)去耦二極管D5和大功率半導(dǎo)體開關(guān)T2。電流iL的方向在此情況時(shí)比上述符號(hào)變換后的換向過程中的電流方向更為有利。開關(guān)T2被斷開，負(fù)載電流iL換接到二極管D3和諧振電容器CR2上，該電容器隨之被放電。為加速換向過程輔助開關(guān)18被無(wú)損耗地接通。一個(gè)附加的電流與諧振電容器CR2的放電電流疊加。在電壓零時(shí)，由于二極管D3和D4導(dǎo)通負(fù)載電流iL，因而大功率半導(dǎo)體開關(guān)T4被無(wú)損耗地接通。
所述大功率換流器在諧振回路中采用一個(gè)線性電感線圈LR。為實(shí)現(xiàn)短暫的換向時(shí)間，設(shè)計(jì)的電感線圈LR的電感必須小。在采用另一工作方式時(shí)，即充分利用二極管反向電流，以便接收用于換向過程的能量時(shí)，由于第二個(gè)原因，小電感是重要的。電感越小，諧振電感LR中的電流增加的幅度越大，二極管電流的di/dt也就越大，并且二極管的阻斷延遲電荷也就越大。在電流增加速度過于緩慢時(shí)，二極管的存貯電荷在電流過零時(shí)已被部分復(fù)合，從而使阻斷延遲電荷并隨之換向過程的起始能量停歇可能性很小。
另外一方面小電感不利于輔助開關(guān)16和18的需要，這時(shí)輔助開關(guān)將承受相應(yīng)高的開關(guān)損耗。
該措施實(shí)現(xiàn)對(duì)飽和電感線圈的利用。該電感線圈在小電流的情況下具有大的電感，從而使輔助開關(guān)16和18的開關(guān)損耗保持在很小的程度，并且該電感線圈同時(shí)用于用充分高的阻斷延遲電荷對(duì)二極管陡的換向。
權(quán)利要求
1.一種低損耗大功率換流器，其中每個(gè)與由兩個(gè)電容器(Co、Cu)的串聯(lián)電路構(gòu)成的直流電壓中間電路(4)并聯(lián)的換流器相(2)具有一個(gè)上半橋和一個(gè)下半橋(6、8)，這兩個(gè)半橋分別含有兩個(gè)帶反并聯(lián)二極管(D1、D2或D3、D4)的大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1、T2或T3、T4)，其中兩個(gè)上和下大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1、T2或T3、T4)的連接點(diǎn)(10、12)通過一去耦二極管(D5、D6)與直流電壓中間電路(4)的兩個(gè)電容器(Co、Cu)的連接點(diǎn)(M)連接，其中直流電壓中間電路(4)的上和下電容器(Co、Cu)分別分成兩個(gè)大小相同的電容器(Co1、Co2或Cu1、Cu2)，其中由一個(gè)上和一個(gè)下輔助開關(guān)(16、18)構(gòu)成的輔助電路(14)與一諧振電感(LR)串聯(lián)，直流電壓中間電路(4)的上和下電容器(Co1、Co2或Cu1、Cu2)的一個(gè)連接點(diǎn)(20、22)與換流器相(2)的輸出端子(24)連接并且其中為換流器相(2)的大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1......T4)至少備有一個(gè)諧振電容器(CR、CR1、CR2、CR11、CR21、CRo、CRu)。
2.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中每個(gè)輔助開關(guān)(16、18)與諧振電感(LR1、LR2)串聯(lián)。
3.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中對(duì)上和下半橋(6、8)的兩個(gè)外側(cè)的大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1、T4)分別并聯(lián)一個(gè)諧振電容器(CR1、CR2)。
4.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中在兩個(gè)上和下大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1、T2或T3、T4)的連接點(diǎn)(10、12)與直流電壓中間電路(4)的連接點(diǎn)之間分別接有一個(gè)諧振電容器(CR11、CR12)。
5.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中在換流器相(2)的輸出端子(24)與直流電壓中間電路(4)的連接點(diǎn)(M)之間接有一個(gè)諧振電容器(CR)。
6.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中分別有一諧振電容器(CRo、CRu)與上半橋和下半橋(6、8)并聯(lián)。
7.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中按照權(quán)利要求3的諧振電容器(CR1、CR2)的配置與按照權(quán)利要求4的諧振電容器(CR11、CR21)的配置結(jié)合在一起。
8.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中按照權(quán)利要求3的諧振電容器(CR1、CR2)的配置與按照權(quán)利要求5的諧振電容器(CR)的配置結(jié)合在一起。
9.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中按照權(quán)利要求3、4和5的諧振電容器(CR1、CR2、CR11、CR21、CR)的配置相互結(jié)合在一起。
10.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中備有一個(gè)可斷開的大功率半導(dǎo)體開關(guān)作為大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1......T4)。
11.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中每個(gè)輔助開關(guān)(16、18)具有兩個(gè)帶反并聯(lián)的二極管(D7、D8；D9、D10)的半導(dǎo)體開關(guān)(T7、T8；T9、T10)，這些二極管通過其負(fù)極相互連接地串接在一起。
12.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中備有一個(gè)可斷開的大功率半導(dǎo)體開關(guān)作為大功率換流器(T7......T10)。
13.按照權(quán)利要求1或2所述的低損耗大功率換流器，其中備有一可飽和的電感線圈作為諧振電感(LR)。
14.按照權(quán)利要求3所述的低損耗大功率換流器，其中備有一個(gè)由兩個(gè)大功率半導(dǎo)體開關(guān)組成的串聯(lián)電路作為上半橋或下半橋(6或8)的外側(cè)的大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1或T4)，這兩個(gè)大功率半導(dǎo)體開關(guān)分別備有一個(gè)并聯(lián)的諧振電容器。
15.按照權(quán)利要求3所述的低損耗大功率換流器，其中備有一個(gè)由兩個(gè)大功率半導(dǎo)體開關(guān)組成的串聯(lián)電路作為上半橋或下半橋(6或8)的外側(cè)的大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1或T4)，這兩個(gè)大功率半導(dǎo)體開關(guān)備有一個(gè)并聯(lián)的諧振電容器。
16.按照權(quán)利要求1所述的低損耗大功率換流器，其中備有一個(gè)由兩個(gè)二極管組成的串聯(lián)電路作為去耦二極管(D5、D6)，這兩個(gè)二極管分別備有一并聯(lián)的諧振電容器。
全文摘要
一種低損耗大功率換流器。依照本發(fā)明,每個(gè)換流器相(2)由一上半橋和一下半橋(6、8)構(gòu)成,這兩個(gè)半橋分別含有兩個(gè)帶反并聯(lián)的二極管(D1、D2及D3、D4)的大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1、T2及T3、T4),其中大功率半導(dǎo)體開關(guān)(T1、T2或T3、T4)的一個(gè)連接點(diǎn)(10、12)利用一去耦二極管(D5、D6)分別與直流電壓中間電路(4)的連接點(diǎn)(M)連接,備有一個(gè)由一上輔助開關(guān)和一個(gè)輔助開關(guān)(16、18)和一諧振電感(L
文檔編號(hào)B60L9/16GK1197554SQ96197228
公開日1998年10月28日 申請(qǐng)日期1996年9月17日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月29日
發(fā)明者曼弗雷德·布魯克曼, 阿克塞爾·默滕斯 申請(qǐng)人:西門子公司