專利名稱：強(qiáng)制換向逆變器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及強(qiáng)制換向逆變器裝置，更具體地涉及強(qiáng)制換向大功率電壓源逆變器裝置，其包括諸如GCT、 IEGT或IGBT的柵極截止器 件、續(xù)流二極管、以及鉗位電路。
背景技術(shù)：
每個(gè)強(qiáng)制換向大功率電壓源逆變器裝置包括柵極截止器件、續(xù)流 二極管、鉗位電路以及諸如電容器組的DC電源存儲(chǔ)單元。根據(jù)應(yīng)用， 應(yīng)用各種基本電路結(jié)構(gòu)，例如斬波結(jié)構(gòu)、2級(jí)結(jié)構(gòu)、3級(jí)結(jié)構(gòu)、以及 多級(jí)結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)通狀態(tài)，具有諸如4.5kV或6kV的阻斷能力的每個(gè)實(shí)際高電 壓續(xù)流二極管累積了大量電荷載體。隨后，在實(shí)現(xiàn)阻斷狀態(tài)之前，這 些電荷栽體需要被反向電流汲取。由于這樣的反向恢復(fù)電流，這種二極管在開(kāi)始反向狀態(tài)之后將在 短時(shí)間期間內(nèi)呈現(xiàn)相對(duì)低的阻抗。因此，為了避免任何過(guò)電流，需要 應(yīng)用某種類型的電流控制?；旧?，如下已經(jīng)提出了如下兩種類型的 利用無(wú)源器件的反向恢復(fù)電流控制(a)利用線性陽(yáng)極電抗器的電流控制；以及 (b )利用飽和鐵芯的電流控制。以下將描述利用線性陽(yáng)極電抗器的現(xiàn)有技術(shù)的反向恢復(fù)電流控 制，其在下面的專利文件中被披露(a) 歐洲專利公開(kāi)出版第EP-0776083-A2號(hào)(以下稱作第一專利文件)；(b) 美國(guó)專利第5768114號(hào)，其是第一專利文件的同族專利；以及(c) 日本專利第JP-3749580-B2號(hào)，其是第一專利文件的另一 同族專利。第一專利文件披露了由線性陽(yáng)極電抗器實(shí)現(xiàn)的緩沖器減少的反向 恢復(fù)電流，以及現(xiàn)有技術(shù)的強(qiáng)制換向大功率電壓源斬波電路使用了線 性陽(yáng)極電抗器。斬波電路包括通過(guò)輸入線饋送的DC連接電容器，包 括柵極截止器件和續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)臂、陽(yáng)極電抗器、以及包括鉗位 二極管的鉗位電路。在斬波電路的實(shí)驗(yàn)性示例中，在續(xù)流二極管中的電流降低至零之 后，續(xù)流二極管隨后呈現(xiàn)反向恢復(fù)，即，續(xù)流二極管中的電荷載體仍 保持高導(dǎo)電率，而陽(yáng)極電流變?yōu)榉捶较?。因此，續(xù)流二極管兩端的電 壓在一小段時(shí)間內(nèi)保持接近于零。此后，續(xù)流二極管兩端的電壓可以 降低接近DC連接電壓的值。即，由于陽(yáng)極電抗器的電感，在續(xù)流二 極管中流過(guò)的陽(yáng)極電流持續(xù)增加，隨后，同一電流可以換向至鉗位電 路。在該種情況下，續(xù)流二極管兩端的電壓保持接近于DC連接電容 器的值，以及續(xù)流二極管能夠減少其陽(yáng)極電流。在上述所使用的續(xù)流二極管的典型的陽(yáng)極電壓和陽(yáng)極電流特性 中，對(duì)于其每個(gè)前向電流，當(dāng)陽(yáng)極電流到達(dá)最高值時(shí)，反向電壓也確 實(shí)接近最高值。隨后，在提高的陽(yáng)極電壓處，在二極管中產(chǎn)生高視在 反向恢復(fù)功率，從而引起高等級(jí)的反向恢復(fù)應(yīng)力。此外，通過(guò)減少前 向電流，僅略微減少了這樣的視在反向恢復(fù)功率。使用典型的二極管， 前向電流從6000A降低至100A，即，60倍，可能只減少二分之一的 視在反向恢復(fù)功率。因此，在從小等級(jí)的前向電流反向恢復(fù)時(shí)，這種 情況下的續(xù)流二極管最容易發(fā)生故障。接著，下面將描述利用飽和鐵芯的反向恢復(fù)電流控制，其在下面 的專利文件中披露(a )日本專利第JP-3745561-B2號(hào)(以下稱作第二專利文件)； 以及(b)美國(guó)專利第6392907號(hào)，其是第二專利文件的同族專利。 第二專利文件披露了 一種強(qiáng)制換向逆變器，其使用通過(guò)飽和鐵芯的反向恢復(fù)控制。在該逆變器中，飽和鐵芯中的一個(gè)或兩個(gè)切斷流入兩個(gè)DC連接電容器中至少一個(gè)的電流。在續(xù)流二極管的反向恢復(fù)期 間，僅由包括鉗位電容器、鉗位二極管和鉗位電阻的鉗位網(wǎng)絡(luò)來(lái)設(shè)置 反向恢復(fù)電流。通常，選擇低損耗飽和鐵芯來(lái)用于本應(yīng)用。在飽和鐵芯的磁通量 B與電場(chǎng)強(qiáng)度H特性中，飽和鐵芯對(duì)小磁場(chǎng)起作用，并引起在最大磁通量B咖x和最小磁通量Bmin兩個(gè)極端飽和狀態(tài)之間的切換。這就導(dǎo)致 產(chǎn)生小損失。以該方式，避免了在陽(yáng)極電抗器中存儲(chǔ)大量能量。然而，隨著這樣的飽和鐵芯、特別是現(xiàn)有技術(shù)的包括飽和鐵芯的3相3級(jí)逆變器的引入，也引入了下面的其他問(wèn)題。當(dāng)DC連接電容 器的電壓被來(lái)自其他相的電流充電時(shí)，3級(jí)逆變器的飽和鐵芯接收基 于流入鉗位電容器的位移電流的電流，隨后，這些飽和鐵芯被切換到 相應(yīng)的飽和狀態(tài)。以該方式，飽和鐵芯可以被設(shè)置為正好與保護(hù)反向 恢復(fù)的續(xù)流二極管所需的狀態(tài)相反的狀態(tài)。隨后，流入續(xù)流二極管的 反向恢復(fù)電流將以較高dl/dt值上升，很可能導(dǎo)致續(xù)流二極管的故障。使用線性陽(yáng)極電抗器的大功率逆變器電路具有使用大電感來(lái)滿足 典型高電壓續(xù)流二極管的需要的問(wèn)題。在每個(gè)切換周期過(guò)程中，這樣 的電抗器存儲(chǔ)并釋放了相當(dāng)數(shù)量的能量，對(duì)逆變器的整體損失作出貢 獻(xiàn)。此外，使用線性陽(yáng)極電抗器的大功率逆變器電路在高壓續(xù)流二極 管上給出了純電感負(fù)荷。這樣的純電感負(fù)荷對(duì)這些續(xù)流二極管施加了 最大的應(yīng)力。隨后在小負(fù)荷電流處觀測(cè)到了非常嚴(yán)重的應(yīng)力狀態(tài)，因 此防止了不期望的高電感值的需要?，F(xiàn)有技術(shù)的每個(gè)使用飽和鐵芯的大功率逆變器有具有兩個(gè)清楚定 義的飽和狀態(tài)的鐵芯。因此，使用諸如GCT、 IGBT或IEGT的快速 導(dǎo)通器件的大功率逆變器具有由于不適當(dāng)?shù)卦O(shè)置鐵芯飽和狀態(tài)而引起 反向恢復(fù)過(guò)負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)目的是提供一種強(qiáng)制換向逆變器裝置，其通過(guò)二極 管反向恢復(fù)電流的可靠控制，幾乎能夠在實(shí)際應(yīng)用的所有情況下執(zhí)行 定義好的操作。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，提供了一種具有最大額定輸出電流iR。ut的強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置，其包括至少一個(gè)DC連接電容器，至少一個(gè)陽(yáng) 極漏電感、至少一個(gè)開(kāi)關(guān)臂、至少一個(gè)鉗位電路、以及至少一個(gè)飽和 鐵芯單元。DC連接電容器具有電壓脈動(dòng)，其特征在于上升率dVDC/dt 的絕對(duì)值的最大值dVm，其滿足-dV^dVDc/dtSdVm，以及陽(yáng)極漏電感 與DC連接電容器串聯(lián)連接。開(kāi)關(guān)臂包括至少一個(gè)柵極截止器件和至 少 一個(gè)續(xù)流二極管的串聯(lián)連接電路，以及鉗位電路包括至少 一個(gè)鉗位 電容器、至少一個(gè)鉗位二極管、以及包括至少一個(gè)電阻器的至少一個(gè) 鉗位電壓復(fù)位電路。強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置的特征在于飽和鐵芯單元具有線性飽和特性和逐漸飽和特性之一，每個(gè)特性都具有飽和電流Isat，以及使用 至少一個(gè)鉗位電容器的電容CM來(lái)將飽和電流Isat設(shè)置為大于由上升率 dVm產(chǎn)生的位移電流，從而滿足下面的公式關(guān)系 iRout〉Isat〉C3lXdVm。在上述強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置，由于在強(qiáng)制換向逆變器裝置 中使用了已經(jīng)合并了定義好的復(fù)位狀態(tài)和力的飽和鐵芯單元，所以在 實(shí)際應(yīng)用的幾乎所有情況下可以執(zhí)行預(yù)定好的操作。


圖1A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率 斬波電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖1B是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向2級(jí)大 功率逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖1C是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向3大功 率逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖1D是示出了圖1A、 1B和1C中示出的每個(gè)飽和鐵芯單元5a、 5b和5c的電壓時(shí)間積分JVdt與電流I的電氣特性以及示出了其飽和 電流I^的曲線圖。圖2A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例的對(duì)圖1A、 1B和 1C中示出的每個(gè)飽和鐵芯單元5a、 5b和5c的電壓時(shí)間積分fVdt與 電流I的電氣特性的曲線圖，同時(shí)定義了其飽和電壓時(shí)間積分fVdtsat。圖2B是示出了在提高的結(jié)溫度處典型高壓大功率硅二極管中流 動(dòng)的反向恢復(fù)電荷Qrr和前向電流I之間的關(guān)系的曲線圖。圖2C是示出了在輸出電流I。u產(chǎn)100A的情況下用在圖1B的2級(jí) 大功率逆變器中的(a )飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V5a和V5b， ( b )其歸一化》茲通量Fsa和F5b,以及(C) 二極管22的電壓￥22和電流122的波形圖。圖2D是示出了在輸出電流I。u產(chǎn)400A的情況下用在圖1B的2級(jí) 大功率逆變器中的(a )飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V5a和V5b， ( b )其歸一化磁通量Fsa和Fsb，以及(C) 二極管22的電壓V22和電流l22的波形圖。圖2E是示出了在輸出電流I。u產(chǎn)1000A的情況下用在圖1B的2級(jí) 大功率逆變器中的(a )飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V&和VSb， ( b )其歸一化磁通量Fsa和Fsb，以及(C) 二極管22的電壓V22和電流l22的波形圖。圖2F是示出了在輸出電流I。u產(chǎn)3000A的情況下用在圖1B的2級(jí) 大功率逆變器中的(a )飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V5a和V5b， ( b )其歸一化磁通量Fsa和F5b,以及(C) 二極管22的電壓￥22和電流122的波形圖。圖2G是示出了在輸出電流1。u產(chǎn)6000A的情況下用在圖1B的2 級(jí)大功率逆變器中的(a)飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V&和V5b， (b)其歸一化磁通量F&和F5b，以及(c) 二極管22的電壓V22和電 流122的波形圖。圖2H是示出了對(duì)于具有輸出電流1。ut參數(shù)的每次截止的二極管 22的陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流之間的估計(jì)關(guān)系的曲線圖。圖21是示出了具有輸出電流I。ut參數(shù)的二極管22的反向恢復(fù)功 率與陽(yáng)極電壓之間的估計(jì)關(guān)系的曲線圖。圖2 J是示出了用于各種電路結(jié)構(gòu)和飽和電壓時(shí)間積分fVdt^的相應(yīng)設(shè)置的二極管22的應(yīng)力反向恢復(fù)功率與輸出電流I。ut之間的估計(jì)關(guān)系的曲線圖。圖3A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實(shí)施例的飽和鐵芯單元5a 的框圖。圖3B是示出了圖3A的飽和鐵芯單元5a的外觀的透視圖。圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的第四優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率逆 變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖5A是根據(jù)本發(fā)明的第五優(yōu)選實(shí)施例的用在強(qiáng)制換向大功率逆 變器中的飽和鐵芯單元5a的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖5B是示出了 (a)飽和鐵芯單元5a的電流Isa和(b)圖5A的 電感71的電流171以及圖5A的飽和電感51的歸一化^磁通量F^在非 平衡情況下第一部分的波形圖。圖5C是示出了 (a)飽和鐵芯單元5a的電流153和(b)圖5A的 電感71的電流171以及圖5A的飽和電感51的歸一化磁通量F^在非 平衡情況下第二部分的波形圖。圖5D是示出了 (a)飽和鐵芯單元5a的電流Isa和(b)圖5A的 電感71的電流171以及圖5A的飽和電感51的歸一化磁通量F^在優(yōu) 選情況下第一部分的波形圖。圖5E是示出了 (a)飽和鐵芯單元5a的電流153和(b)圖5A的 電感71的電流171以及圖5A的飽和電感51的歸一化磁通量F^在優(yōu) 選情況下第二部分的波形圖。圖6A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第六優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率 逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖6B是示出了在鉗位電路3包括具有1.5nH的典型鉗位電阻器 的漏電感331a的鉗位電阻器331時(shí)，圖6A的飽和鐵芯單元5a的電 壓V5a、以及圖6A的續(xù)流二極管22的電壓V^和電流l22的波形圖。圖6C是當(dāng)在開(kāi)始時(shí)立刻增加二極管的反向恢復(fù)電流隨后對(duì)鉗位 電阻器的漏電感331a增加阻尼時(shí)，圖6A的飽和^^芯單元5a的電壓Vsa以及圖6A的續(xù)流二極管22的電壓V22和電流l22的波形圖。
圖7A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第七優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率
逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖7B是沒(méi)有任何延遲鐵芯336的情況下的波形圖，示出了飽和鐵芯單元5a的電壓V5a、飽和鐵芯單元5b的電壓V5b、續(xù)流二極管22的電壓￥22和電流122、以及鉗位電壓復(fù)位電路33的電流133。
圖7C是有延遲鐵芯336的情況下的波形圖，示出了飽和鐵芯單元5a的電壓V5a、飽和鐵芯單元5b的電壓V5b、續(xù)流二極管22的電壓￥22和電流122、以及鉗位電壓復(fù)位電路33的電
具體實(shí)施例方式
參考附圖描述優(yōu)選實(shí)施例。彼此相似的部件或元件用相同參考標(biāo)號(hào)來(lái)表示。
第一優(yōu)選實(shí)施例
圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率斬波電路的結(jié)構(gòu)，圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向2級(jí)大功率逆變器的結(jié)構(gòu)，圖1C示出了根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向3級(jí)大功率逆變器的結(jié)構(gòu)，以及圖1D示出了對(duì)圖1A、1B和1C中示出的每個(gè)飽和4失芯單元5a、 5b和5c的電流I與電壓時(shí)
間積分fVdt的電氣特性，并示出了其飽和電流Isat。
斬波電路
參考圖1，根據(jù)本優(yōu)選實(shí)施例的斬波電路具有輸入端Tl和T2，以及輸出端Tll。斬波電路包括DC連接電容器11、開(kāi)關(guān)臂2、鉗位電路3、陽(yáng)極漏電感41、飽和鐵芯單元5a、以及控制器91。開(kāi)關(guān)臂2包括諸如GCT、 IEGT或IGBT的柵極截止器件21和續(xù)流二極管22的串聯(lián)電路。鉗位電路3包括鉗位電容器31、鉗位二極管32、以及包括鉗位電阻器331的鉗位電壓復(fù)位電路33。控制器91周期地產(chǎn)生柵極控制電壓信號(hào)并將其輸出至柵極截止器件21的柵極。
在斬波電路中，DC連接電容器11連接在輸入端Tl和T2之間。輸入端Tl通過(guò)陽(yáng)極漏電感41連接到開(kāi)關(guān)臂2的一端和鉗位電路3的一端。另一方面，輸入端T2通過(guò)飽和鐵芯單元5a連接到開(kāi)關(guān)臂2的另一端以及鉗位電路3的另一端。
在該情況下，飽和鐵芯單元5a能夠控制從續(xù)流二極管22流向DC連接電容器11的反向恢復(fù)電流。陽(yáng)極漏電感41可以是獨(dú)立的元件，其被設(shè)計(jì)為限制來(lái)自DC連接電容器11通過(guò)柵極截止器件21、續(xù)流二極管22和飽和鐵芯單元5a的電流。然而，陽(yáng)極漏電感41也可以被降低至母線漏電感的很低值。
下面將描述斬波電路的操作。
狀態(tài)1:柵極截止器件21位于導(dǎo)通狀態(tài)
隨著柵極截止器件21位于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)荷電流從被稱作"P (正)端"的輸入端Tl流過(guò)陽(yáng)極漏電感41和柵極截止器件21至輸出端Tll。隨后，續(xù)流二極管22截止。根據(jù)鉗位電容器31中的電荷，電流可以從陽(yáng)極漏電感41流過(guò)鉗位電容器31，隨后通過(guò)鉗位二極管32和鉗位電壓復(fù)位電路33的并聯(lián)連接電路，并進(jìn)一步地通過(guò)飽和鐵芯單元5a，流至被稱作"N (負(fù))端"的輸入端T2，直到鉗位電容器31兩端的電壓變成等于DC連接電容器11兩端的電壓。此后，飽和鐵芯單元5a兩端的電壓將變成零，并且電流被停止。根據(jù)圖1D,飽和鐵芯單元5a隨后達(dá)到對(duì)應(yīng)于圖1D的被稱作B-H曲線的其特性的中心位置附近。以該方式，實(shí)現(xiàn)飽和鐵芯單元5a和鉗位電容器31的完全復(fù)位。
狀態(tài)2:柵極截止器件21截止
當(dāng)柵極截止器件21截止時(shí)，因?yàn)殛?yáng)極漏電感41，所以在柵極截止器件兩端出現(xiàn)一些過(guò)電壓。鉗位電路3被緊密地布線為具有小寄生電感(例如200nH或400nH)的電路。隨后從柵極截止器件21流出的電流將換向至鉗位電路3，在此，該相同的電流主要流入鉗位電容器31和鉗位二極管32。隨后，該相同的電流流入續(xù)流二極管22并通過(guò)輸出端Tll輸出。
狀態(tài)3:柵極截止器件21被截止時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)
當(dāng)輸出電流I^持續(xù)流動(dòng)時(shí)，鉗位電容器31將充電到提升的電平，使得輸出端Tll為負(fù)電勢(shì)。飽和鐵芯單元5a將接收并相應(yīng)地累積相同的電壓以產(chǎn)生電壓時(shí)間積分fVdt,并且其引起根據(jù)圖ID的導(dǎo)電電流。如果如圖lD所示負(fù)荷輸出電流I。ut大于飽和鐵芯單元5a的飽和電流Isat,則飽和鐵芯單元5a將成為飽和狀態(tài)，并將其端部?jī)啥说碾妷呵袚Q為零。如果I。ut〈Isat，則飽和鐵芯單元5a將保持在圖1D的特性的線性和非飽和區(qū)域中，以及呈現(xiàn)作為其電路的等效電感，但是也將其端部?jī)啥说碾妷豪亮阋员３蛛妷簳r(shí)間積分fVdt為平衡值。狀態(tài)4:柵極截止器件21導(dǎo)通
一旦導(dǎo)通柵極截止器件21 ，輸出電流1。ut將再次換向至輸入端Tl。續(xù)流二極管22將接收反向偏置并因此流動(dòng)反向恢復(fù)電流。這就導(dǎo)致飽和鐵芯單元5a的電流方向反向，并且根據(jù)圖1D在其端部?jī)啥私邮茉撾妷?。這就導(dǎo)致只要還沒(méi)有達(dá)到反向飽和就在飽和鐵芯單元5a中流動(dòng)感應(yīng)電流。因此，這樣的電流具有由在圖1D的特性的非飽和區(qū)域中飽和鐵芯單元5a的等效電感Lequ給出的幾乎恒定的小dl/dt。
與這樣的等效電感相對(duì)的，鉗位電路3以高dl/dt直接將電流的變化饋送給開(kāi)關(guān)臂2。這就導(dǎo)致從續(xù)流二極管22中汲取了電荷載體，隨后使得續(xù)流二極管被反向偏置。隨后，鉗位電壓復(fù)位電路33將主要決定續(xù)流二極管22的反向恢復(fù)負(fù)荷特性。因此，通過(guò)設(shè)置在鉗位電路3中的純鉗位電阻器331，在續(xù)流二極管22處獲得了阻性反向恢復(fù)負(fù)荷狀態(tài)。
在反向恢復(fù)的這個(gè)時(shí)間段期間，飽和鐵芯單元5a已經(jīng)累積了 一定的電壓時(shí)間積分fVdt，并根據(jù)圖1D建立了一定的電流。當(dāng)反向恢復(fù)電流終止時(shí)，隨后飽和鐵芯單元5a將復(fù)位鉗制電容器31，并返回到圖1D的飽和特性的中心附近狀態(tài)。
2級(jí)逆變器
參考圖1B，除了圖1A的部件之外，強(qiáng)制換向2級(jí)逆變器進(jìn)一步包括下面部件
(a)柵極截止器件23，其并聯(lián)連接到續(xù)流二極管22，(b) 續(xù)流二極管24，其并聯(lián)連接到柵極截止器件21,
(c) 飽和鐵芯單元5b，具有類似于飽和鐵芯單元5a的特性，其被插在輸入端T1和陽(yáng)極漏電感41之間，以及
(d) 控制器92，產(chǎn)生柵極控制電壓信號(hào)并分別輸出至柵極截止器件21和23,以交替地截止柵極截止器件21和23。
在該情況下，包括兩個(gè)二極管22和24的開(kāi)關(guān)臂2b被設(shè)置為代替圖1A的開(kāi)關(guān)臂2。來(lái)自于DC連接電容器11的每個(gè)續(xù)流二極管22和24的反向恢復(fù)電流的一部分由飽和鐵芯單元5a和5b中的至少其中一個(gè)控制。如圖1B所示，2級(jí)逆變器的電路被制成為對(duì)稱的，該電路可以接受流向外部電路的正的負(fù)荷電流，以及可以接受流入內(nèi)部電路的負(fù)的負(fù)荷電流。除了一點(diǎn)不同之外，2級(jí)逆變器的操作與用于雙向負(fù)荷電流的圖1A的斬波電路所解釋的操作極為類似，將在下面關(guān)于正負(fù)荷電流進(jìn)行解釋該不同之處。
當(dāng)柵極截止器件21被導(dǎo)通時(shí)，其陽(yáng)極不是以類似于圖1A所示的斬波的方式通過(guò)陽(yáng)極漏電感41直接從DC連接電容器11供電。取而代之的是，飽和鐵芯單元5b連接在那個(gè)線路上，并且由于之前不存在電流，因此獲得在圖1D所示的飽和鐵芯單元5b的特性的中心位置。因此，柵極截止器件21將主要傳導(dǎo)源自于鉗位電路3的電流，直到飽和鐵芯單元5b被飽和以將柵極截止器件21連接到DC連接電容器11。
3級(jí)逆變器
參考圖1C，強(qiáng)制換向3級(jí)逆變器包括開(kāi)關(guān)臂2c來(lái)取代圖1B的開(kāi)關(guān)臂2b，以及除了包括圖1B中所示的之外還進(jìn)一步包括輸入端T3、飽和鐵芯單元5c、鉗位電路6、以及陽(yáng)極漏電感42。此外，強(qiáng)制換向3級(jí)逆變器包括用于控制柵極截止器件21、 23、 25和27的控制器93，代替圖1B中的控制器92。在圖1C中，DC連接電容器ll連接在輸入端Tl和T3之間，以及DC連接電容器12連接在輸入端T2和T3之間。輸入端T3通過(guò)飽和鐵芯單元5a連接到鉗位電路3和6，以及開(kāi)關(guān)臂2c。輸入端T2通過(guò)飽和鐵芯單元5c連接到開(kāi)關(guān)臂2c。鉗位電路6包括鉗位電容器61、鉗位二極管62、以及包括電阻器631的鉗位電壓復(fù)位電路63。
開(kāi)關(guān)臂2c不僅包括四個(gè)柵極截止二極管21、 23、 25和27，還包括六個(gè)續(xù)流二極管22、 24、 26、 28、 291和292，用在典型的3級(jí)逆變器中，即，典型的3級(jí)逆變器包括續(xù)流二極管22、續(xù)流二極管24、續(xù)流二極管26、續(xù)流二極管28、零點(diǎn)續(xù)流二極管291、零點(diǎn)續(xù)流二極管292。在這些續(xù)流二極管22、 24、 26、 28、 291和292中，兩個(gè)續(xù)流二極管22和28不接收逆變器中的任何反向恢復(fù)電流。另外四個(gè)續(xù)流二極管24、 26、 291和292可以接收來(lái)自DC連接電容器11和12中的至少一個(gè)的反向恢復(fù)電流。
在續(xù)流二極管24接收反向恢復(fù)電流時(shí)，這樣的反向恢復(fù)電流將通過(guò)輸入端Tl在P線上流動(dòng)，在零點(diǎn)續(xù)流二極管291或零點(diǎn)續(xù)流二極管292接收反向恢復(fù)電流時(shí)通過(guò)輸入端T3在C線上流動(dòng)，或在續(xù)流二極管26接收反向恢復(fù)電流時(shí)在N線上流動(dòng)。因此，在這些P線、C線和N線的每個(gè)上布置飽和鐵芯單元5a、 5b和5c中的至少一個(gè)。圖1C的3級(jí)逆變器以類似于圖1B的2級(jí)逆變器的方式運(yùn)行。
其他多級(jí)逆變器
圖1A、 1B和1C示出了最通用的強(qiáng)制換向大功率逆變器，然而本發(fā)明不局限于這些。也可以提供包括相同飽和鐵芯電壓5a、 5b和5c的其他多級(jí)逆變器。
為了理解飽和電流Isat在較低限制時(shí)的特性，呈現(xiàn)危險(xiǎn)二極管應(yīng)
力
然而，如果在導(dǎo)通柵極截止器件21、 23、 25和27之前，飽和鐵芯單元5a、 5b和/或5c不在正確飽和狀態(tài)，則危險(xiǎn)的反向恢復(fù)應(yīng)力可能影響續(xù)流二極管24和26和/或零點(diǎn)續(xù)流二極管291和292。這樣不正確的磁化狀態(tài)可能來(lái)源于由鉗位電容器31或61的復(fù)位而引起的在飽和鐵芯單元5a、 5b和/或5c中流動(dòng)的電流。
非正確飽和狀態(tài)也可能由流向具有電容(:31的鉗位電容器31或具有電容(:61的鉗位電容器61的位移電流引起。這樣的位移電流來(lái)源于DC連接電容器11或12兩端的電壓的變化。這樣的電流的最大值通過(guò)公式I他- C31 x dVm or Idis - C61 x dVm，其中dVm表示DC連接電容
器11和DC連接電容器12兩端的電壓上升率的絕對(duì)值的最大值。因此，上升率dVm將滿足關(guān)系-dVm S dVoc/dt S dV邁，dVDC/dt是DC連接電容器11或12兩端的電壓的上升率。
基本上，似乎沒(méi)有辦法避免這樣的位移電流對(duì)飽和鐵芯單元5a、5b或5c的飽和狀態(tài)的影響。然而，必須確認(rèn)的是鐵芯單元將不會(huì)接近不適當(dāng)?shù)娘柡蜖顟B(tài)。因此，需要自復(fù)位特性，其可以在所有情況下將飽和狀態(tài)返回到定義好的安全位置。
使用相關(guān)技術(shù)的鐵芯特性不能找到這樣的復(fù)位特性，相關(guān)技術(shù)的鐵芯特性在任一極端位置僅能提供一種穩(wěn)定飽和狀態(tài)。相反，必須提供圖ID中所示的線性區(qū)域或至少一個(gè)彎曲的、飽和極端之間的漸變區(qū)域，以在兩個(gè)飽和極端之間良好地定義復(fù)位等級(jí)。
此外，復(fù)位鉗位電容器電壓以及傳遞任何位移電流必須以如下的方式執(zhí)行，即，當(dāng)柵極截止器件21、 23、 25或27之一導(dǎo)通時(shí)，獲得了至飽和的足夠距離。因此，至少需要選擇飽和電流Isat以大于如下所示的在飽和鐵芯單元5a、 5b或5c中流動(dòng)的所有這樣的位移電流的最大值I幼t > I他=Csi X dV邊或Isat > Idis - Csi x dVm。
此外，很清楚的，優(yōu)選的設(shè)計(jì)是，當(dāng)負(fù)荷有最差情況下的電流
Idb-CMXdVm或Idis=C61xdVm時(shí)，飽和鐵芯單元5a、 5b或5c將保持在其額定隔離能力的75%。因此，設(shè)置了下面的公式
Isat > 4 X Idls = 4 X C31 x dV邁，或
W > 4 x Idis 88 4 x C6i x dV邊。理解飽和電流Isat的上限值
大體上，通過(guò)為飽和電流Isat選擇一個(gè)非常高的值，從而可以容
易地滿足上述的條件。然而，飽和鐵芯單元5a、 5b或5c將以與線性電感完全相同的方式在其飽和狀態(tài)下存儲(chǔ)能量E。如果這樣的非飽和狀態(tài)呈現(xiàn)了純線性特性，則這樣的能量E可以通過(guò)下面的公式計(jì)算出E- 1/2xLeauXl2,
其中Iequ表示飽和鐵芯單元5a、 5b或5c的等效電感，其在這樣的線性條件下為一,v/^/鄰"Vdt幼t〃。當(dāng)達(dá)到飽和時(shí)，在該時(shí)刻存儲(chǔ)
的能量被及時(shí)限制(trap)。隨后該時(shí)刻的能量值Esat變成
1/2xLequXlsat2。其在鐵芯單元稍后再次被驅(qū)動(dòng)離開(kāi)飽和狀態(tài)時(shí)釋
放至電路。
由于在大量存儲(chǔ)能量中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)主要缺點(diǎn)，所以低
逆變器損失需要小量存儲(chǔ)能量。因此，強(qiáng)制將飽和電流Isat設(shè)置為小值。其需要如下所示被設(shè)置為小于最大額定輸出電流lROUT以實(shí)現(xiàn)任
何情況下的飽和狀態(tài)o<w<fe。ut。為了實(shí)現(xiàn)低等級(jí)的存儲(chǔ)能量，進(jìn)一步強(qiáng)烈優(yōu)選低于最大額定輸出電流的20%的等級(jí)，從而滿足下面的不公式
0 < Isat < iRout/5。計(jì)算示例
最后，如下所示的提供基于實(shí)際值的計(jì)算示例
大功率逆變器具有最大額定輸出電流IROUT=6000A,額定DC連接電壓VDC=3500V，以及平均切換頻率400Hz。 DC連接電容器11和12每個(gè)可以被設(shè)計(jì)為典型值，為了安全起見(jiàn)，允許標(biāo)稱峰值輸出電流的大約±10%的電壓脈動(dòng)，通常將裕度設(shè)置為
lN加tpeak與fecmt/1.5=" 4000 A。因此，可以出現(xiàn)DC連接電壓的變化率dVuc/dt S (3500 [V] x 2 x 10 %)/1.2miUi-second》 560 [V/mllll-secondl = dV邊。這才羊
的逆變器通常可能需要鉗位電容器31的值<:31為C31=20pF。隨后，
在 第 一 優(yōu) 選 實(shí) 施 例 中 設(shè) 置4 x C31 x dVm = 4 x 20pFj x 560 [V/milli-secondj - 44.8Aj < I組t為優(yōu)選上限。
第二優(yōu)選實(shí)施例
參考圖2A、 2B、 2C、 2D、 2E、 2F、 2G、 2H、 21和2J，示出并
說(shuō)明了可以被應(yīng)用于笫一優(yōu)選實(shí)施例的逆變器的飽和鐵芯單元5a、 5b和5c的進(jìn)一步的特性，這些飽和鐵芯單元可以被用于創(chuàng)建根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率逆變器。
圖2A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例的在圖1A、 1B和1C中示出的每個(gè)飽和4失芯單元5a、 5b和5c的電壓時(shí)間積分fVdt與電流I的電特性并同時(shí)限定了其飽和電壓時(shí)間積分fVd"at的曲線。圖2B是示出了在提高的結(jié)溫度處在典型高壓大功率硅二極管中流動(dòng)的反向恢復(fù)電荷Qrr和前向電流I之間的關(guān)系的曲線圖。
此外，圖2C是示出了在輸出電流I。u產(chǎn)100A的情況下用在圖1B的2級(jí)大功率逆變器中的(a)飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V5a和V5b， (b)其歸一化磁通量Fsa和Fsb,以及(c) 二極管22的電壓V22和電 流I22 的波形圖。
圖2D是示出了在輸出電流I。u產(chǎn)400A的情況下用在圖1B的2級(jí)大功率逆變器中的(a )飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V&和V5b， ( b )
其歸一化磁通量Fsa和Fsb，以及(C) 二極管22的電壓￥22和電流122
的波形圖。
圖2E是示出了在輸出電流I。u產(chǎn)1000A的情況下用在圖1B的2級(jí)大功率逆變器中的(a )飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V5a和V5b， ( b )
其歸一化磁通量Fsa和Fsb，以及(C) 二極管22的電壓￥22和電流122
的波形圖。圖2F是示出了在輸出電流I。u產(chǎn)3000A的情況下用在圖1B的2級(jí)大功率逆變器中的(a)飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V&和V5b， (b)其歸一化磁通量Fsa和F5b，以及(c)二極管22的電壓V22和電流122的波形圖。圖2G是示出了在輸出電流IQUt=6000A的情況下用在圖IB的2級(jí)大功率逆變器中的(a)飽和電壓?jiǎn)卧?a和5b的電壓V&和V5b， (b)其歸一化磁通量F&和F5b，以及(c) 二極管22的電壓￥22和電流122的波形圖。特別地，圖2C至2G示出了圖1B的2級(jí)逆變器處在各種正的負(fù)荷電流處將來(lái)自續(xù)流二極管22的負(fù)荷電流換向至柵極截止器件21器件所觀察到的信號(hào)，其中2級(jí)逆變器具有最大額定輸出電流IROUT=6000A和飽和電壓時(shí)間積分rVdtsa產(chǎn)2.4mV秒，同時(shí)續(xù)流二極管22的結(jié)溫度被設(shè)置為其最大允許值。此外，圖2H是示出了對(duì)于圖2C至2G中示出的條件的每次具有輸出電流I。w參數(shù)的截止的二極管22的陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流的估計(jì)關(guān)系的曲線。圖2I是示出了具有輸出電流I。ut參數(shù)的二極管22的反向恢復(fù)功率與陽(yáng)極電壓之間的估計(jì)關(guān)系的曲線圖。圖2J是示出了用于各種電路結(jié)構(gòu)和飽和電壓時(shí)間積分fVdtw的各種設(shè)置的二極管22的應(yīng)力反向恢復(fù)功率與輸出電流1。ut之間的估計(jì)關(guān)系的曲線圖，特別地，圖2J示出了在3.5kV或更高的反向電壓處的反向恢復(fù)功率的最大值，以下被稱作"應(yīng)力反向恢復(fù)功率"，作為逆變器輸出電流1。ut的函數(shù)，其是在各種逆變器電路的情況下觀察的，如下所示
(1) 曲線101示出了應(yīng)力反向恢復(fù)功率，使用了具有帶有7jiH電感L41的線性陽(yáng)極電抗器41的現(xiàn)有技術(shù)電路；
(2) 曲線102示出了在飽和電壓時(shí)間積分fVdtsa產(chǎn)0.6mV秒、并且電感L41=ljtH的情況下的應(yīng)力反向恢復(fù)功率；
(3) 曲線103示出了在飽和電壓時(shí)間積分fVdtsa產(chǎn)1.2mV秒、并且電感L41=ljiH的情況下的應(yīng)力反向恢復(fù)功率；
(4) 曲線104示出了在飽和電壓時(shí)間積分JVdtsa產(chǎn)2.4mV秒、并且電感L41=lnH的情況下的應(yīng)力反向恢復(fù)功率；
(5) 曲線105示出了在飽和電壓時(shí)間積分fVdtsa產(chǎn)3.6mV秒、并且電感L41=lnH的情況下的應(yīng)力反向恢復(fù)功率；
(6) 曲線106示出了在飽和電壓時(shí)間積分JVdtsa產(chǎn)4.8mV秒、并且電感L41=l|iH的情況下的應(yīng)力反向恢復(fù)功率；
(7) 曲線107示出了陽(yáng)極電抗器適用的應(yīng)力反向恢復(fù)功率容量。在沒(méi)有圖1A的飽和鐵芯單元5a的現(xiàn)有技術(shù)的斬波電路中，使用用于每個(gè)電流設(shè)置的適用線性陽(yáng)極電抗器實(shí)驗(yàn)性導(dǎo)出曲線107的值，其將二極管加載至這樣陽(yáng)極電流設(shè)置下的最大容量。
圖2A示出了使用第 一優(yōu)選實(shí)施例的飽和鐵芯單元5a所觀察到的典型磁滯回線。隨后，飽和電壓時(shí)間積分fVdtsat由飽和時(shí)的值定義，其特征為鐵芯單元的低電感狀態(tài)。
可以使用單一鐵芯或使用一組具有所有相同特征的鐵芯來(lái)獲取表現(xiàn)出在非飽和狀態(tài)中幾乎恒定的斜率以及在飽和狀態(tài)中另一很小斜率的這樣的特征。然而，也可以應(yīng)用具有斜率改變的電感的鐵芯單元。可以使用具有串聯(lián)連接的鐵芯單元獲得這樣的鐵芯單元，所述鐵芯單元具有不同的特性或由適當(dāng)?shù)蔫F芯材料制成。此外，在這樣的情況下，
飽和積分被定義為實(shí)際條件下的fVdt的最大可實(shí)現(xiàn)值。
圖2B示出了作為典型高電壓硅二極管的前向電流的函數(shù)的反向恢復(fù)電荷。該關(guān)系是強(qiáng)非線性的。在低電流處，每一安培的二極管中的前向電流具有大量電荷。
圖2C至2G示出了使用用在第二優(yōu)選實(shí)施例的2級(jí)逆變器中的二極管在各種逆變器輸出電流I。ut處得到的結(jié)果。圖2C示出了在輸出電流I。u產(chǎn)100A處的結(jié)果，圖2D示出了在輸出電流I。u產(chǎn)400A處的結(jié)果；圖2E示出了在輸出電流I。u產(chǎn)1000A處的結(jié)果；圖2F示出了在輸出電流1。u產(chǎn)3000A處的結(jié)果；以及圖2G示出了在輸出電流1。u產(chǎn)lRouT-6000A處的結(jié)果。在這些情況下，圖2C至2G中的每個(gè)圖的上部曲線示出了飽和鐵芯單元5a兩端的電壓V5a以及飽和鐵芯單元5b兩端的電壓V5b。圖2C至2G中的每個(gè)圖的中間曲線示出了飽和鐵芯單元5a的飽和狀態(tài)下的磁通量Fsa以及飽和鐵芯單元5b的飽和狀態(tài)下的磁通量Fsb。圖2C至2G中的每個(gè)圖的底部曲線示出了在續(xù)流二極管22中流動(dòng)的陽(yáng)極電流122，以及續(xù)流二極管22兩端的陽(yáng)極電壓V22。每個(gè)飽和鐵芯單元5a和5b具有飽和電壓時(shí)間積分JVdtsa產(chǎn)2.4mV秒，以及飽和電流Isa產(chǎn)160A,進(jìn)而具有等效電感Lequ-15jlH。
參考圖2C，飽和鐵芯單元5a和5b從時(shí)間t=334ps處的零電壓開(kāi)始。隨后，飽和鐵芯單元5b具有零飽和等級(jí)，同時(shí)飽和鐵芯單元5a表現(xiàn)出fVdt-0.62xfVdtsat的飽和等級(jí)。在時(shí)間t-33化s的時(shí)刻，續(xù)流二極管22被前向偏置從而使得陽(yáng)極電流I22=100A，以及陽(yáng)極電壓V22 ^ 1.5V。在時(shí)間t=335jis處導(dǎo)通柵極截止器件21時(shí)，飽和鐵芯單元5a和5b都分別接收電壓，并且這導(dǎo)致兩者都改變飽和狀態(tài)，以及續(xù)流二極管22接收負(fù)P日極電流122 。 隨后，這樣的陽(yáng)極電流I22 主要來(lái)源于鉗位電路3，并且其快速增加以達(dá)到大約I22=lkA。然而，這樣的大陽(yáng)極電流僅在相對(duì)小的陽(yáng)極電壓的狀態(tài)下施加到續(xù)流二極管22，并且在時(shí)間t-336jis之后，陽(yáng)極電流122可以已經(jīng)減少，同時(shí)續(xù)流二極管22兩端的電壓V22緩慢地接近DC連接電容器11的值，例如VDC=3650V。在所有這樣的時(shí)間間隔期間中，飽和鐵芯單元5a和5b都保持在非飽和狀態(tài)，提供了全部電感2xLequ=30nH以將圖IB的開(kāi)關(guān)臂2b與DC連接電容器11隔離或電絕緣。
參考具有輸出電流I。u產(chǎn)400A的圖2D，飽和鐵芯單元5a已經(jīng)起始于飽和電壓電平fVdt-lxJVdtsat,因此飽和鐵芯單元5a已經(jīng)完全飽和。隨后，飽和鐵芯單元5b首先改變飽和狀態(tài)，趨向完全飽和。飽和鐵芯單元5a稍后啟動(dòng)，隨后完全通過(guò)非飽和區(qū)域并在時(shí)間t-941ps處達(dá)到反向飽和。以該方式，續(xù)流二極管22在由飽和鐵芯單元5a的絕緣下
不能接收任何來(lái)自DC連接電容器11的電流，直到陽(yáng)極電壓V22已經(jīng)
達(dá)到了 DC電平VDC=3650V，并且反向恢復(fù)電流已經(jīng)到零。因此，在二極管趨向高電壓時(shí)，提供了電感l(wèi)xLequ=15jiH來(lái)將開(kāi)關(guān)臂2B與DC連接電容器11隔離。
參考具有輸出電流I。ut=1000A的圖2E，飽和鐵芯單元5a再次起始于完全飽和。飽和鐵芯單元5a和5b相繼地激活。此時(shí)，飽和^^芯單元5a在時(shí)間t-1540jis時(shí)已經(jīng)達(dá)到了完全飽和，這大約是在二極管的尾電流結(jié)束之前4jis。因此，DC連接電容器11在此時(shí)直接連接到續(xù)流二極管22，隨后，其陽(yáng)極電流122升高一點(diǎn)。
參考具有輸出電流1。u產(chǎn)3000A的圖2F，飽和鐵芯單元5a和5b都動(dòng)作得更快，以及反向恢復(fù)電流流動(dòng)更長(zhǎng)時(shí)間。因此，飽和鐵芯單元5a在二極管尾電流結(jié)束之前大約7.5jis時(shí)已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，隨后顯著地升高陽(yáng)極電流122。
參考具有輸出電流I。u產(chǎn)6000A的圖2G，該結(jié)果更加明顯。然而，即使當(dāng)續(xù)流二極管22連接到DC連接電容器11時(shí)，二極管電壓V22已經(jīng)達(dá)到V22=2kV。盡管由陽(yáng)極漏電感41 (諸如L-ljiH )提供小環(huán)線電感，陽(yáng)極電流122的上升率dl22/dt非常小，并且保持陽(yáng)極電流122使得I22<2000A。圖2H估計(jì)了相應(yīng)的反向恢復(fù)操作區(qū)，圖示了作為用于續(xù)流二極管22的每個(gè)反向恢復(fù)的陽(yáng)極電流122的函數(shù)的陽(yáng)極電壓V22。該估計(jì)示出了在從低前向電流和中等前向電流1。u產(chǎn)100A和1。u產(chǎn)400A的反向恢復(fù)時(shí)高陽(yáng)極電壓處的小陽(yáng)極電流。
圖2I示出了下一估計(jì)步驟。其示出了作為反向恢復(fù)電壓或陽(yáng)極電壓V22的函數(shù)的反向恢復(fù)電壓和反向恢復(fù)電流的乘積(即，反向恢復(fù)功率)。在輸出電流I。u產(chǎn)100A和I。u產(chǎn)400A的情況下，反向恢復(fù)功率的值在陽(yáng)極電壓V22=3.5kV時(shí)小。根據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例的2級(jí)逆變器的電路隨后確實(shí)在這樣的條件下完美地保護(hù)了續(xù)流二極管22。
圖2J示出了另一估計(jì)步驟，即，通過(guò)圖示作為用于各種電路結(jié)構(gòu)和飽和電壓時(shí)間積分JVdt^的設(shè)置的逆變器輸出電流I。ut的函數(shù)的應(yīng)力反向恢復(fù)功率進(jìn)行的比較。在該情況下，在現(xiàn)有技術(shù)的最大特定負(fù)荷狀態(tài)下的二極管反向恢復(fù)應(yīng)力由圖2J的虛線曲線101表示。從圖2J的曲線可以理解，對(duì)于曲線101,與曲線102的飽和電壓時(shí)間積分fVdU產(chǎn)0.6mV秒相比，小設(shè)置的飽和電壓時(shí)間積分fVdtsat已經(jīng)能夠在較小陽(yáng)極電流122的情況下減少陽(yáng)極應(yīng)力。然而，在較高陽(yáng)極電流122的情況下，在陽(yáng)極電流I2產(chǎn)400A的交叉處，二極管應(yīng)力高于曲線101的二極管應(yīng)力。
對(duì)圖2J的曲線103的飽和電壓時(shí)間積分fVdt^產(chǎn)1.2mV秒的設(shè)置將二極管應(yīng)力降低至低于在所有小于2800A的電流處使用曲線101的現(xiàn)有技術(shù)電路所觀測(cè)到的等級(jí)。
對(duì)曲線104的飽和電壓時(shí)間積分fVdtsa產(chǎn)2.4mV秒的設(shè)置將導(dǎo)致整個(gè)完整的操作范圍的減少的應(yīng)力等級(jí)。
對(duì)曲線105的飽和電壓時(shí)間積分JVdtsa產(chǎn)3.6mV秒或曲線106的JVdtSiU=4.8mV秒的設(shè)置將導(dǎo)致整個(gè)完整的操作范圍的非常低的應(yīng)力等級(jí)。
因此，從圖2J得到用于飽和電壓時(shí)間積分JVdtsat的目標(biāo)值。使用
曲線107，引入了陽(yáng)極電抗器適用的應(yīng)力反向恢復(fù)能力Prrlar (I)。在圖1A的沒(méi)有任何飽和鐵芯單元5a的現(xiàn)有技術(shù)的斬波電路的情況下，曲線107圖示了在陽(yáng)極電抗器41變化的情況下導(dǎo)出的高電壓二極管的 最大反向恢復(fù)應(yīng)力能力。隨后，對(duì)于曲線107的每個(gè)電流值，以續(xù)流 二極管22加載至其從這樣的電流反向恢復(fù)時(shí)的極限的方式將新的值 設(shè)置陽(yáng)極電抗器41。
如下所述，本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例能夠很好地適應(yīng)這些最大可 允許應(yīng)力值。當(dāng)選擇飽和電壓時(shí)間積分JVdtsa產(chǎn)0.6mV秒時(shí)，曲線102 的應(yīng)力反向恢復(fù)功率P (I)在范圍為0Sl。^5lR。ut的完整的逆變器輸 出電流1。ut時(shí)已經(jīng)小于由曲線107表示的該二極管的陽(yáng)極電抗器適用 的應(yīng)力反向恢復(fù)功率容量。
根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例，進(jìn)一步選擇飽和電壓時(shí)間積分
JVd"at的值，使得在OSl。^lR。ut的范圍內(nèi)的至少一個(gè)輸出電流值I。ut
處有p^(1) ^ 1/2xP^tarW。在圖2J中，曲線106接近這樣的極限在 1。u產(chǎn)lR。u產(chǎn)6000A的情況下，曲線107的Prrlar (I) =7.9MVA，而曲線 106的Prr (I) =4.1MVA。在飽和電壓時(shí)間積分fVdtsa產(chǎn)4.8mV秒的情 況下，二極管的恢復(fù)極為平滑，但是飽和鐵芯單元5a和5b已經(jīng)變得 相當(dāng)大，隨后將大量能量分別傳至鉗位電路3和鉗位電路6。
以該方式，根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例的逆變器以優(yōu)選方式適 用于典型的大功率硅二極管的特性。使用非常小值的陽(yáng)極漏電感41 和42、以及非常小的鐵芯單元5a和5b，在操作期間獲得低制造成本 和低逆變器損失。
第三優(yōu)選實(shí)施例
圖3A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實(shí)施例的飽和鐵芯單元5a 的框圖，以及圖3B是示出了圖3A的飽和鐵芯單元5a的形狀的透視圖。
參考圖3，可以被應(yīng)用于第一或第二優(yōu)選實(shí)施例的飽和鐵芯單元 5a被示出為提供根據(jù)第三優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率逆變器。在本 優(yōu)選實(shí)施例中，飽和鐵芯單元5a包括飽和電感51，其中飽和電感51 包括至少一個(gè)間隙5g。另一種材料的間隙5g可以被引入到飽和鐵芯單元5a的磁回路。 在大多數(shù)情況下，根據(jù)鐵芯的機(jī)械設(shè)計(jì)，這樣材料的間隙5g是完全非 磁性的，以及這樣材料的間隙5g可能是某些類型的塑料或僅僅是空 氣。
隨后，磁通量O必須通過(guò)鐵芯材料并通過(guò)間隙材料。在磁性鐵芯 材料中，磁通密度B-0/A，其中A是被磁通量穿透的橫截面的面 積，隨后其給出了磁場(chǎng)H^B/pn。，其中非磁性材料的磁場(chǎng)是Hair-B/一。 沿通過(guò)飽和鐵芯單元5a的鐵芯和間隙5g的閉合路徑的環(huán)積分J"Hds被 導(dǎo)出以確定穿透鐵芯的電流。如果間隙5g的尺寸大到足以支配積分 jHds，則其鐵芯的旋轉(zhuǎn)線圏的電感L近似于(n。n2A) /lair,其中 W表示填充有非磁性材料的間隙5g的厚度，以及"n"是線圏的匝數(shù)。
當(dāng)大的DC偏移電流出現(xiàn)在這樣的部件上時(shí)，間隙5g經(jīng)常被用于 電感或變壓器的磁性鐵芯。間隙5g通常被稱作"空氣間隙"，以及改變 B-H特性來(lái)呈現(xiàn)或產(chǎn)生具有幾乎線性的B-H關(guān)系的放大區(qū)域。隨后， 其是線性區(qū)域，其是間隙5g延伸的線性區(qū)域和被使用的線性區(qū)域，以 及鐵芯材料的飽和是完全不期望的。
然而，在第三優(yōu)選實(shí)施例中，間隙5g被結(jié)合以建立諸如圖1D所 示的特性。隨后，間隙5g如上所述設(shè)置鐵芯的等效電感Lequ,并且這 就導(dǎo)致其設(shè)置飽和電流Isat=fVdtsat/Lequ。因此，通過(guò)本發(fā)明的第三優(yōu) 選實(shí)施例，提出了一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)飽和鐵芯單元5a、 5b和5c，每個(gè) 飽和鐵芯單元具有以非常高效方式實(shí)現(xiàn)的線性特性。
第四優(yōu)選實(shí)施例
圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的第四優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率逆 變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。
在本優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)飽和4失芯單元5a、 5b和5c由飽和電感 器51、 52或53與線性電抗器電感器71、 72或73分別并聯(lián)連接的電 路制成，其中飽和電感器51、 52和53的特征在于飽和電壓時(shí)間積分 JVdtsat，以及線性電抗器71、 72和73的特征在于等效電感的值Lequ=4Vdtsat/Isat。注意，控制器94以類似于控制器93的方式操作。
在根據(jù)第四優(yōu)選實(shí)施例的逆變器中，每個(gè)飽和鐵芯單元5a、 5b 和5c的最優(yōu)選的特性是通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立器件的并聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)的。在該種 情況下，每個(gè)器件專用于其中一個(gè)優(yōu)選特性線性區(qū)域的飽和電壓時(shí) 間積分fVdtsat和等效電感Lequ。以該方式，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定并且低損耗的 鐵芯單元5a、 5b和5c。換句話說(shuō)，選擇最低磁滯損耗的飽和電感器 51、 52和53，并且線性電感器71、 72和73僅設(shè)計(jì)到飽和電流Iw 最低磁滯損耗通常是通過(guò)如下飽和鐵芯來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所述飽和鐵芯具有 陡山肖且狹窄的B-H特性，該特性進(jìn)而導(dǎo)致飽和鐵芯的很小的飽和電流。 與在現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用的線性陽(yáng)極電抗器相比，該線性電感僅被設(shè) 計(jì)到飽和電流Iw。因此，低磁滯損耗與低傳導(dǎo)配合以實(shí)現(xiàn)高逆變器效 率。
第五優(yōu)選實(shí)施例
在圖5A至5E中，示出了根據(jù)第五優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率 逆變器。圖5A是示出了用在根據(jù)本發(fā)明的第五優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換 向大功率逆變器中的飽和鐵芯單元5a的結(jié)構(gòu)的電路圖。在本優(yōu)選實(shí)施 例中，如圖5A所示，電阻器511和711分別結(jié)合在飽和電感51的路 徑和線性電感器71的路徑中，并且他們根據(jù)下面的公式平衡
(iDC5a X Rsil)/R711 S Isat/2 ，以及 優(yōu)選地，(iDC5a X R511)/R7U S W5。
在圖5A的實(shí)驗(yàn)中，使用了下列參數(shù)
(a) 飽和電感51的電壓時(shí)間積分fVdt-2.4mV秒；
(b) 電阻器511的電阻，R511=10nQ;
(c) 線性電感器71的電感，L71=Lequ=25jiH; (d )飽和輸出電流Isat=96A;
(e) 在飽和鐵芯單元5a中流動(dòng)的DC電流，IDC5a=-1000A;以 及
(f) 在飽和鐵芯單元5a中流動(dòng)的AC電流，IAC5a=3000Apeak。參考圖5B至5E解釋平衡逆變器的性能的電阻器511和711的影 響，圖5B至5E示出了在時(shí)間^處具有DC-偏置IDC5a=1000A的負(fù)荷 的情況下飽和鐵芯單元5a的典型信號(hào)。此后，負(fù)荷被終止以檢測(cè)鐵芯 復(fù)位。在圖5B至5E中，上部曲線示出了在飽和鐵芯單元5a中流動(dòng) 的電流Isa，以及下部曲線示出了在線性電感71中流動(dòng)的電流171，并 且還示出了飽和電感器51的歸一化的磁通量或歸一化磁化強(qiáng)度。
圖5B是在非平衡情況下的第一部分的波形圖，示出了 (a)飽和 鐵芯單元5a的電流15{1以及(b)圖5A的電感71的電流171和圖5A 的飽和電感51的歸一化磁通量F51，以及圖5C是在非平衡情況下的 第二部分的波形圖，示出了 (a)飽和鐵芯單元5a的電流Isa，以及(b) 圖5A的電感71的電 流I71和圖5A的飽和電感51的歸 一化磁通量F51 。 圖5B和5C示出了具有R^尸R7,尸10jiQ的非平衡情況。在圖5B的時(shí) 刻t產(chǎn)4ms之后的復(fù)位檢測(cè)中，鐵芯單元5a如下運(yùn)行良好。隨后鐵芯 單元5a返回至具有/VdtsOxfVdtsat的飽和狀態(tài)的情形。然而，在圖 5C的時(shí)刻t產(chǎn)199ms之后的復(fù)位檢測(cè)中，鐵芯單元5a如下不能復(fù)位。 隨后鐵芯單元5a返回至fVdt ^ -lxfVdtsat的情形。
圖5D是優(yōu)選情況下的第一部分的波形圖，示出了 (a)飽和鐵芯 單元5a的電流153以及(b)圖5A的電感71的電流171和圖5A的飽 和電感51的歸一化磁通量F51，以及圖5E是在優(yōu)選情況下的第二部 分的波形圖，示出了 (a)飽和鐵芯單元5a的電流Isa，以及(b)圖 5A的電感71的電流171和圖5A的飽和電感51的歸一化J茲通量F51。 圖5D和5E示出了具有R511=10nQ以及R^產(chǎn)lmQ的優(yōu)選情況。在圖 5D的時(shí)刻t產(chǎn)4ms之后的復(fù)位檢測(cè)中，鐵芯單元5a如下運(yùn)行良好。隨 后鐵芯單元5a返回至JVdt ^OxJVdtsat的情形。在圖5E的時(shí)刻 t尸199ms之后的復(fù)位檢測(cè)中，鐵芯單元5a也能如下良好復(fù)位。隨后 鐵芯單元5a返回至fVdt - 0.07xJVdtsat的情形。
最后，應(yīng)該提及，應(yīng)該觀測(cè)時(shí)間關(guān)系。如從圖5D也可以理解的， 通過(guò)在飽和鐵芯單元5a的電流的每個(gè)過(guò)零轉(zhuǎn)變期間向其提供的電壓 時(shí)間積分來(lái)i殳置線性電感71和電感電阻711中流動(dòng)的電流。隨后，由于飽和鐵芯單元5a兩端的電壓變小，所以線性電感71中的電流被保 持恒定。部件71和711的RL電路時(shí)間常數(shù)必須足夠大以保持下面的 電流
171-711 > 2 X tH，以及T71-711 > 2 tL，
其中，tH和k分別表示飽和鐵芯單元5a上的正電流和負(fù)電流的 持續(xù)時(shí)間。進(jìn)一步地，如下由電阻Rm和電感L7的值確定所述時(shí)間常 數(shù)
T71-711 = L7l/R7110
隨后，上限如下被總結(jié)
R7" < 1/2 X L/i/tH ， 以及R711 < 1/2 X !/7l/tL。
此外，優(yōu)選更高的電流保護(hù)。因此，下面的關(guān)系是更優(yōu)選的 R7ii < 1/4xI/n/tH， 以及R7U < 1/4 xI/a/tL。
毫無(wú)疑問(wèn)，根據(jù)第五優(yōu)選實(shí)施例的逆變器可以實(shí)現(xiàn)飽和鐵芯單元 5a的正確復(fù)位。
第六優(yōu)選實(shí)施例
圖6A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第六優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率 逆變器的電路圖。特別地，本優(yōu)選實(shí)施例指向圖6A所示的續(xù)流二極 管22和續(xù)流二極管24的反向恢復(fù)，但是可以與諸如斬波電路、3級(jí) 逆變器等其他結(jié)構(gòu)一樣被良好地應(yīng)用。注意，控制器96以類似于控制 器92的方式運(yùn)行。
如果高壓續(xù)流二極管22和24被設(shè)計(jì)用于高速且低反向恢復(fù)損耗 時(shí)，它們通常趨向于為"快速的"(snappy)?？焖傩员憩F(xiàn)在反向恢復(fù) 過(guò)程的結(jié)束處。隨后，非常突然地，所有電荷載體已經(jīng)被汲取了，隨 后反向恢復(fù)電流落入零電流。因此，這里可以觀測(cè)到大的過(guò)電壓峰值 和震蕩。
快速行動(dòng)非常依賴于每個(gè)二極管22和24中的前向電流。通過(guò)高 負(fù)荷的大的前向電流，每個(gè)二極管22和24通?？梢韵鄬?duì)柔和地動(dòng)作， 但是在小前向電流時(shí)，其相當(dāng)快速，從而在相對(duì)小的上升率dl/dt處其已經(jīng)被破壞了。
使用由沒(méi)有飽和鐵芯單元5a的圖1A的斬波電路構(gòu)成的現(xiàn)有技術(shù) 的傳統(tǒng)電路，每個(gè)二極管22和24的反向恢復(fù)條件被固定為與在小和 大前向電流的情況下相同的上升率dl/dt。在小前向電流的情況下，這 將導(dǎo)致相對(duì)大的反向恢復(fù)電流。隨后，反向恢復(fù)電流的最大值和反向 恢復(fù)電壓的最大值出現(xiàn)在相同時(shí)刻。上述的時(shí)間條件是純電感負(fù)載的 特征，即，其最要求二極管22和24。
與傳統(tǒng)斬波電路相比，如圖2J中已經(jīng)示出的，根據(jù)本發(fā)明的第二 優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率逆變器可以更好地解決在小前向電流情 況下不同的反向恢復(fù)情形。通過(guò)本發(fā)明的第六優(yōu)選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了更多 的改進(jìn)。
圖6B是示出了當(dāng)鉗位電路3包括具有1.5nH的典型鉗位電阻器 的漏電感331a的鉗位電阻器331時(shí)圖6A的飽和鐵芯單元5a的電壓 Vsa以及圖6A的續(xù)流二極管22的電壓Vn和電流122的波形圖。輸出 電流I。ut被設(shè)置為U產(chǎn)IOOA。
根據(jù)第六優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率逆變器尤其針對(duì)這樣的小 前向電流情況下的反向恢復(fù)的困難情形。在第六優(yōu)選實(shí)施例中還包括 鉗位電壓復(fù)位電路33，其包括下面的并聯(lián)電路
(a)包括鉗位電阻器331和鉗位電阻器的漏電感(或等效電感) 331a的串聯(lián)電路；以及
(b )包括脈沖限制電阻器333、脈沖電容器334、以及漏電感334a 的低阻抗RC網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)電路。
上述RC網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)為在接收電壓改變的最開(kāi)始處最有助于鉗位 電壓復(fù)位電路33的總電流。這就導(dǎo)致RC網(wǎng)絡(luò)將在最開(kāi)始處增加二極 管反向恢復(fù)電流，并且隨后將增加鉗位電阻器的漏電感331a的阻尼。
圖6C是示出了當(dāng)在最開(kāi)始處增加二極管反向恢復(fù)電流并且隨后 增加鉗位電阻器的漏電感331a的阻尼時(shí)，圖6A的飽和4失芯單元5a 的電壓V5a，以及圖6A的續(xù)流二極管22的電壓￥22和電流122的波形 圖。如圖6C所示，續(xù)流二極管22 (或24)的反向恢復(fù)已經(jīng)變得極為柔和，并且二極管22 (或24)在階躍(snap-off)過(guò)程中被非常好地 支持。
第七優(yōu)選實(shí)施例
圖7A是示出了根據(jù)本發(fā)明的第七優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)制換向大功率 逆變器的結(jié)構(gòu)的電路圖。本優(yōu)選實(shí)施例旨在減小損耗。注意，控制器 97以類似于控制器92的方式操作。
圖7B是沒(méi)有任何延遲鐵芯336的情況下的波形圖，示出了飽和 鐵芯單元5a的電壓V5a、飽和鐵芯單元5b的電壓V5b、續(xù)流二極管22 的電壓Vn和電流122、以及鉗位電壓復(fù)位電路33的電流133。在該種 情況下，輸出電流I福被設(shè)置為1。u產(chǎn)3000A。
從圖7B可以理解，在高負(fù)荷電流時(shí)，在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間間隔 (tH2)中在鉗位電壓復(fù)位電路33中流動(dòng)相對(duì)較大的電流，而對(duì)各個(gè) 續(xù)流二極管22和24的反向恢復(fù)沒(méi)有任何影響。時(shí)間間隔(tH2)來(lái) 源于飽和鐵芯單元5b的轉(zhuǎn)變，其允許柵極截止器件21饋送來(lái)自鉗位 電路3的電流。上述電流導(dǎo)致鉗位電壓復(fù)位電路33中的功率損耗。
根據(jù)第七優(yōu)選實(shí)施例，進(jìn)一步的，延遲鐵芯336被插入鉗位電阻 器331和鉗位電阻器的漏電感331a的線路上。上述延遲鐵芯336可以 恰好是另一飽和鐵芯。然而，延遲鐵芯336中的有效電流顯著小于每 個(gè)主要飽和鐵芯單元5a、 5b和5c中的電流。因此，延遲鐵芯336可 以被設(shè)計(jì)為顯著小于每個(gè)飽和鐵芯單元5a、 5b和5c。
圖7C是在具有延遲鐵芯336的情況下的波形圖，示出了飽和鐵 芯單元5a的電壓V5a、飽和鐵芯單元5b的電壓V5b、續(xù)流二極管22 的電壓Vn和電流122、以及鉗位電壓復(fù)位電路33的電流133。如從圖 7C可以理解的，延遲鐵芯336延遲了在鉗位電阻器331中流動(dòng)的電流 133。因此，特別是在大操作電流時(shí)，實(shí)現(xiàn)了損耗減少。
工業(yè)實(shí)用性
如上具體所述，根據(jù)上述的強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置，由于在強(qiáng)制換向逆變器裝置中使用了已經(jīng)結(jié)合了定義好的復(fù)位狀態(tài)和強(qiáng)制的 飽和鐵芯單元，所以可以在實(shí)際應(yīng)用中的幾乎所有情況下執(zhí)行定義好 的操作。因此，能夠執(zhí)行二極管反向恢復(fù)電流的可靠控制。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置，具有最大額定輸出電流IROUT，包括至少一個(gè)DC連接電容器，具有特征在于上升率dVDC/dt的絕對(duì)值的最大值dVm滿足關(guān)系式-dVm≤dVDC/dt≤dVm的電壓脈動(dòng)；至少一個(gè)陽(yáng)極漏電感，與所述DC連接電容器串聯(lián)連接；至少一個(gè)開(kāi)關(guān)臂，包括至少一個(gè)柵極截止器件和至少一個(gè)續(xù)流二極管的串聯(lián)電路；至少一個(gè)鉗位電路，包括至少一個(gè)鉗位電容器、至少一個(gè)鉗位二極管、以及包括至少一個(gè)電阻器的至少一個(gè)鉗位電壓復(fù)位電路；以及至少一個(gè)飽和鐵芯單元，其中所述至少一個(gè)飽和鐵芯單元具有線性飽和特性和逐漸飽和特性之一，其每個(gè)具有飽和電流Isat，以及其中使用所述至少一個(gè)鉗位電容器的電容C31，將所述飽和電流Isat設(shè)置為大于由上升率dVm產(chǎn)生的位移電流，從而滿足下面公式的關(guān)系IRout＞Isat＞C31xdVm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置， 其中所述飽和電流Isat被設(shè)置為滿足下面公式的關(guān)系feo t > W > 4 x Cai x dV旗。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置， 其中所述飽和電流Isat被設(shè)置為滿足下面公式的關(guān)系
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置， 其中所述飽和電流Isat被設(shè)置為滿足下面公式的關(guān)系> W > 4 x Cm x dV雄。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置，其中所述至少一個(gè)續(xù)流二極管具有適合于陽(yáng)極電抗器的應(yīng)力反向 恢復(fù)功率容量Prrlar(I)，所述應(yīng)力反向恢復(fù)功率容量是使用適用的 線性陽(yáng)極電抗器來(lái)確定的，其中所述至少 一個(gè)飽和鐵芯單元具有飽和電壓時(shí)間積分fVdtw，其中所述強(qiáng)制換向大功率逆變器在所述至少一個(gè)續(xù)流二極管上產(chǎn) 生了應(yīng)力反向恢復(fù)功率Prr (I)，其中所述飽和電壓時(shí)間積分fVdtw被選擇為使得對(duì)于在 0<I。u^IROUT范圍內(nèi)的逆變器輸出電流內(nèi)引起的反向恢復(fù)應(yīng)力下的所 述二極管，Pit W ^ PJ ，以及其中所述飽和電壓時(shí)間積分JVdtsat被選擇為使得對(duì)于在 0<I。U^IROUT范圍內(nèi)的逆變器輸出電流內(nèi)引起的至少一個(gè)電流等級(jí)I。ut的所述二極管中的反向恢復(fù)應(yīng)力下的至少一個(gè)二極管，<formula>formula see original document page 3</formula>(I)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器， 其中所述至少一個(gè)飽和鐵芯單元包括至少一個(gè)飽和電感器，具有用非磁性材料填充的至少一個(gè)間隙，使得所述至少一個(gè)飽和鐵芯單元具有飽和電流Lt。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器，其中所述至少一個(gè)飽和鐵芯單元包括至少一個(gè)飽和電感器，以及 與所述至少一個(gè)飽和電感器并聯(lián)連接的至少一個(gè)線性電感器， 其中所述至少 一個(gè)飽和電感器的特征在于所述至少 一個(gè)飽和鐵芯單元的所述飽和電壓時(shí)間積分fVdtsat，以及其中所述至少一個(gè)線性電感器具有從所述飽和電壓時(shí)間積分fVdtsat和所述至少一個(gè)飽和鐵芯單元的所述飽和電流Isat導(dǎo)出的電感
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器， 其中所述至少一個(gè)飽和鐵芯單元流過(guò)最大DC電流分量IDC5a， 其中所述至少 一個(gè)飽和鐵芯單元還包括至少 一個(gè)飽和鐵芯母線電阻Rsu,以及所迷至少一個(gè)電感電阻Rm，以及其中所述至少一個(gè)飽和鐵芯母線電阻Rsu和所述至少一個(gè)電感電阻R711被設(shè)置為滿足下面公式，其中在所述飽和鐵芯單元中流過(guò)正電流的持續(xù)時(shí)間為tH和流過(guò)負(fù)電流的持續(xù)時(shí)間為 (Iocsa x Ra") / R711 S 1/2 x W， 以及Rm < 1/2 x Ln/tn ，以及稱"< 1/2xL i/化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器， 其中所述至少一個(gè)飽和鐵芯母線電阻Rsn和所述至少一個(gè)電感電阻R^被設(shè)置為滿足下面公式卩DC5aX Rs") / R i ^ 1/2 X W， 以及
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器，其中所述至少一個(gè)飽和鐵芯母線電阻Rsn和所述至少一個(gè)電感電阻R^被設(shè)置為滿足下面公式(Ices* 3t Rsu) / R7" 5 1/5 x W， 以及R i < 1/2 x L i/tH ， 以及R7" < 1/2 x Ln/tt 。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器， 其中所述至少一個(gè)飽和鐵芯母線電阻Rsn和所述至少一個(gè)電感電阻R7!!被設(shè)置為滿足下面公式Pi)cfe x Ran) / Rn直S 1/5 x I敏t， 以及
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至ll任一項(xiàng)所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器， 其中所述至少一個(gè)鉗位電壓復(fù)位電路還包括至少一個(gè)鉗位電阻器、至少一個(gè)脈沖電容器、以及至少一個(gè)脈沖限制電阻器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的強(qiáng)制換向大功率逆變器， 其中所述至少一個(gè)鉗位電壓復(fù)位電路還包括至少一個(gè)延遲鐵芯。
全文摘要
在具有最大額定輸出電流I_ROUT的強(qiáng)制換向大功率逆變器裝置中，包括DC連接電容器、陽(yáng)極漏電感、開(kāi)關(guān)臂、鉗位電路以及飽和鐵芯單元，該DC連接電容器具有特征在于上升率dV_DC/dt的絕對(duì)值的最大值dV_m的電壓脈動(dòng)，以及陽(yáng)極漏電感與DC連接電容器串聯(lián)連接。該開(kāi)關(guān)臂包括柵極截止器件和續(xù)流二極管的串聯(lián)連接電路，以及鉗位電路包括鉗位電容器、鉗位二極管、以及包括電阻器的鉗位電壓復(fù)位電路。飽和鐵芯單元具有線性和逐漸飽和特性之一，每個(gè)具有飽和電流I_sat，其被設(shè)置為使得I_ROUT＞I_sat＞C₃₁×dV_m，C₃₁是鉗位電容器的電容。
文檔編號(hào)H02M7/48GK101569083SQ20078004815
公開(kāi)日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2007年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月30日
發(fā)明者H·格里寧, 小柳公之, 椋木誠(chéng) 申請(qǐng)人:東芝三菱電機(jī)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)株式會(huì)社