專利名稱：使用常通場效應(yīng)晶體管的電流源功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用常通場效應(yīng)晶體管的電流源功率轉(zhuǎn)換器。該功率轉(zhuǎn)換器可以 在各種應(yīng)用中使用，諸如可變速度驅(qū)動(dòng)器、不間斷電源、有源濾波器或DC/DC轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
如已經(jīng)知道的，開始于AC電流源，電流源功率轉(zhuǎn)換器能夠被用來通過有源整流器 模塊在具有電感器的電源總線上獲得恒定的DC電流。在可變速度驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，流經(jīng)電源 總線的該恒定電流然后被逆變器模塊斬波從而獲得要提供給電負(fù)載的可變輸出電流。電流源功率轉(zhuǎn)換器包括上游連接到由電流源供電的幾個(gè)輸入端的整流器模塊、連 接整流器的下游并且提供有正極線和負(fù)極線的電源總線、連接到電源總線的正極線和/或 負(fù)極線的電感器、以及連接到電源總線的下游并且設(shè)計(jì)為對電負(fù)載提供可變電流的逆變器 模塊。電、流源功率轉(zhuǎn)換器從由 ThomasFriedli、Simon D. RouncUDominik Hassler 禾P Johann W. Kolar IjflrWfeH^ "Design and Performance of a 200kHz All-SiC JFET Current Source Converter”的出版物中熟知。整流器模塊包括連接在電源總線的正極線和負(fù)極線 之間的若干開關(guān)臂，每一開關(guān)臂包括串聯(lián)的兩個(gè)晶體管和位于兩個(gè)晶體管之間且鏈接到輸 入端之一的連接中點(diǎn)。整流器模塊也包括連接在電源總線的正極線和負(fù)極線之間的若干 開關(guān)臂，每一開關(guān)臂包括串聯(lián)的兩個(gè)晶體管和位于兩個(gè)晶體管之間且鏈接到要控制的電負(fù) 載的連接中點(diǎn)。在前述的出版物中，整流器模塊和逆變器模塊的晶體管是常通SiC JFET， 也即當(dāng)沒有電壓施加到它們的柵極時(shí)它們導(dǎo)電。常通組件非常適合用于電流源功率轉(zhuǎn)換 器，因?yàn)檫@類型的轉(zhuǎn)換器要求兩個(gè)晶體管永久地導(dǎo)電，從而電流源從不連接到開路電路 (opencircuit)?？墒?，當(dāng)使用常通組件時(shí)有必要在啟動(dòng)期間或在輔助電源的故障期間防止電源 (mains)短路，該輔助電源用來控制晶體管的柵極。在前述的出版物中，為了防止電源短路，建議了在連接到電源的輸入級、整流器的 上游放置在啟動(dòng)期間切換成斷開狀態(tài)的繼電器。可是，該解決方案不令人滿意，因?yàn)榇嬖谟?輸入級的三個(gè)繼電器必須使尺寸合適以經(jīng)受全部的電流和全部的電源電壓。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供電流源功率轉(zhuǎn)換器，其使用常通組件并且在啟動(dòng)期間或 在用來控制晶體管的柵極的輔助電源的潛在故障期間防止電源短路，并且無需采用特大型 組件來實(shí)現(xiàn)之。通過功率轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)該目的，該功率轉(zhuǎn)換器包括-整流器模塊，上游連接到由電流源供電的幾個(gè)輸入端；-電源總線，連接到整流器模塊的下游并且提供有正極線和負(fù)極線；-電感器，連接到電源總線的正極線或負(fù)極線；-整流器模塊，包括連接在電源總線的正極線和負(fù)極線之間的若干開關(guān)臂，每一開關(guān)臂包括串聯(lián)的上部晶體管和下部晶體管以及位于上部晶體管和下部晶體管之間且鏈接 到輸入端的連接中點(diǎn)；-晶體管是常通場效應(yīng)晶體管并且每個(gè)被柵極控制器件控制；-輔助常斷開關(guān)，與開關(guān)臂串聯(lián)安置并且連接到電源總線的正極線；-用于控制該輔助開關(guān)的控制器件。根據(jù)一個(gè)特征，該轉(zhuǎn)換器包括逆變器模塊，連接到電源總線的下游和要控制的電 負(fù)載的上游。根據(jù)另一個(gè)特征，每個(gè)晶體管由柵極控制器件控制，并且上部晶體管的柵極控制 器件連接到電源總線的正極線。根據(jù)另一個(gè)特征，該轉(zhuǎn)換器包括連接在電源總線的正極線和負(fù)極線之間的過電壓 保護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)另一個(gè)特征，該轉(zhuǎn)換器包括用于檢測故障的部件，設(shè)計(jì)來與用于輔助開關(guān)的 控制器件相互作用。根據(jù)另一個(gè)特征，該輔助開關(guān)是機(jī)電繼電器，或者是MOSFET、BJT或IGBT電開關(guān)。根據(jù)另一個(gè)特征，該開關(guān)臂的上部和下部晶體管是JFET。根據(jù)另一個(gè)特征，該JFET晶體管由碳化硅或氮化鎵制成。


通過在附圖中示出的以示例給出的本發(fā)明的實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的其 它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明了，其中圖1示出使用基于常通JFET晶體管的整流器模塊的本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器；圖2A和2B示出在圖1所見的過電壓保護(hù)系統(tǒng)的兩個(gè)不同變型的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及電流源功率轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明的電流源功率轉(zhuǎn)換器可以在各種應(yīng)用中使 用，諸如可變速度驅(qū)動(dòng)器、不間斷電源(UPS)、有源濾波器或DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此，作為在電源中的示例，本發(fā)明的電流源功率轉(zhuǎn)換器包括單個(gè)整流器模塊，或 者作為可變速度驅(qū)動(dòng)器中的示例，本發(fā)明的電流源功率轉(zhuǎn)換器組合整流器模塊和逆變器模 塊。本發(fā)明的原理在于在整流器模塊中使用常通場效應(yīng)晶體管。常通組件非常適合于 在電流源功率轉(zhuǎn)換器中使用?？墒?，這導(dǎo)致有必要解決的其他問題。要解決的第一問題出 現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)期間而第二問題會出現(xiàn)在用來向晶體管傳遞柵極電壓的輔助電源的故 障期間。在兩種情況中，在控制電壓無法施加到晶體管的柵極時(shí)必須防止電源短路。圖1示出包括一端連接到電源R和另一端連接到整流器模塊20的若干輸入端 inl、in2、in3(例如在三相電源中的三個(gè)輸入端)的電流源功率轉(zhuǎn)換器。整流器模塊20是 有源類型并且包括若干開關(guān)臂，例如三個(gè)開關(guān)臂，用于將施加于連接到電源R的轉(zhuǎn)換器輸 入端inl、in2、in3的AC電流轉(zhuǎn)換為恒定DC電流。獲得的恒定DC電流被施加于提供有正 極線10和負(fù)極線11的電源總線。轉(zhuǎn)換器還包括連接到電源總線的正極線10或負(fù)極線11 的至少一個(gè)電感器Li。理想地，轉(zhuǎn)換器可以包括連接到電源總線的正極線10的第一電感器Ll和連接到電源總線的負(fù)極線11的第二電感器L2(見圖1)。整流器模塊20的三個(gè)開關(guān) 臂每個(gè)并聯(lián)連接在電源總線的正極線10和負(fù)極線11之間。每個(gè)開關(guān)臂包括由鏈接到轉(zhuǎn)換 器的不同輸入端inl、in2、in3的連接中點(diǎn)M1、M2、M3分開的上部晶體管T2、T4、T6和下部 晶體管Τ1、Τ3、Τ5。在電流源功率轉(zhuǎn)換器中，每個(gè)晶體管Τ1-Τ6與二極管串聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明，整流器模塊的每個(gè)晶體管Τ1-Τ6是常通場效應(yīng)晶體管。諸如以JFET 或MOSFET為例的場效應(yīng)晶體管是公知的電子功率開關(guān)，其包括控制柵極(G)，其功能是允 許或阻止電流在漏極(D)和源極( 之間流動(dòng)。如果在柵極和源極之間的電壓Ves是接近 于零，則此類晶體管就稱為常通晶體管。這意味者在缺少控制電壓Ves的情況下漏源路徑導(dǎo) 電。在柵極和源極之間存在負(fù)的控制電壓Ves的情況下，常通場效應(yīng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。 通過施加例如至少-15伏特的柵-源電壓Ves來截止常通JFET晶體管以及通過施加例如至 少-5伏特的電壓Ves來截止常通MOSFET晶體管。在本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器中使用的場效應(yīng)晶體管T1-T6例如將由寬帶隙材料(諸如 碳化硅或氮化鎵)制成。眾所周知，由寬帶隙材料制成的常通JFET晶體管具有如下優(yōu)點(diǎn) 快速切換，產(chǎn)生較少導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)電損失(低導(dǎo)通狀態(tài)電阻RDSon)，具有更好的耐熱性和更 加細(xì)小。在后面的說明中和在附圖1中，圖1的晶體管T1-T6例如是JFET。使用特定柵極控制器件CT1、CT2(在圖1中由兩個(gè)單獨(dú)的塊以簡化的方式示意) 斷開開關(guān)臂的每個(gè)場效應(yīng)晶體管T1-T6。每個(gè)柵極控制器件由連接到轉(zhuǎn)換器的輸入端inl、 in2、in3的輔助電源AUX供電，這允許柵極電壓VG被施加到晶體管從而截止或?qū)ňw 管。除了該電源，每個(gè)控制器件根據(jù)中央控制系統(tǒng)3執(zhí)行的控制規(guī)則從中央控制系統(tǒng)3接 收PWM (脈寬調(diào)制)控制信號Sl到S6。上部晶體管T2、T4、T6的每個(gè)控制器件連接到電源 總線的正極線10，而下部晶體管Tl、Τ3、Τ5的每個(gè)控制器件連接到其晶體管的開關(guān)臂的連 接中點(diǎn)Μ1、Μ2、Μ3。根據(jù)本發(fā)明，常斷的輔助開關(guān)SW串聯(lián)連接于開關(guān)臂并且將開關(guān)臂鏈接到電源總 線的正極線10。換句話說，該輔助開關(guān)SW連接在整流器模塊20的上部晶體管Τ2、Τ4、Τ6 和電源總線的正極線10之間。在圖1，輔助開關(guān)SW連接到結(jié)合于三個(gè)開關(guān)臂的三個(gè)上部晶 體管Τ2、Τ4、Τ6的漏極的導(dǎo)線5上的點(diǎn)X。輔助開關(guān)SW可以是例如機(jī)電繼電器，例如MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))，或它可以是 MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體FET)、IGBT (絕緣柵雙極晶體管)或BJT (雙極結(jié)式晶體管)電 開關(guān)。在圖1，輔助開關(guān)由硅MOSFET表示。當(dāng)各種條件同時(shí)滿足時(shí)(也即當(dāng)沒有UVLO (欠 壓封鎖)出現(xiàn)在輔助電源時(shí)，當(dāng)過電流保護(hù)(OP)沒有被啟動(dòng)和當(dāng)信號Y由中央控制系統(tǒng)3 提供時(shí))，輔助開關(guān)SW由受控于由模塊4傳遞的控制信號S的適當(dāng)?shù)墓刂破骷﨏SW(本 申請中不給出其詳細(xì)情況)來閉合。當(dāng)然，作為等價(jià)操作，完全可以將共用于三個(gè)開關(guān)臂的輔助開關(guān)SW替換為串聯(lián)連 接在每個(gè)開關(guān)臂上的一個(gè)輔助開關(guān)SW，這些輔助開關(guān)全部被同時(shí)控制。該實(shí)施例沒有在附 圖中示出，但是它完全落入本發(fā)明的范圍中。圖1所示的電流源功率轉(zhuǎn)換器可以在它的電源總線的下游包括逆變器模塊(圖1 中未示出)，用于將總線中流動(dòng)的DC電流斬波從而產(chǎn)生用于提供給電負(fù)載的可變電流。在 這種情況下，作為示例的一個(gè)可能的應(yīng)用是可變速度驅(qū)動(dòng)器。另外，電流源功率轉(zhuǎn)換器可以包括連接在電源總線的正極線10和負(fù)極線11之間的過電壓保護(hù)系統(tǒng)6。當(dāng)輔助開關(guān)SW斷開時(shí)(雖然總線中流經(jīng)的電流仍然不是零)，該系 統(tǒng)6用于防止過電壓因此保護(hù)整流器模塊20。在這種情況下，跨越保護(hù)系統(tǒng)6的端子的電 壓趨于變?yōu)殚_啟保護(hù)系統(tǒng)6的負(fù)電壓以提供在電源總線的正極線10和負(fù)極線11之間的電 流路徑。在圖2A示出的第一變型實(shí)施例中，過電壓保護(hù)系統(tǒng)6可以是簡單的二極管D1，連 接來從而允許電流從電源總線的負(fù)極線11流向正極線10，以及當(dāng)電壓變?yōu)樨?fù)時(shí)，允許電流 從電源總線的正極線10流向負(fù)極線11。在圖2B示出的第二變型實(shí)施例中，過電壓保護(hù)系統(tǒng)6包括連接在電源總線的正極 線10和負(fù)極線11之間的閘流晶體管SCR。在該變型中，系統(tǒng)6還包括由串聯(lián)的電容器Cl 和第一二極管DlO組成的第一組件，并且第一組件并聯(lián)連接到閘流晶體管SCR的陽極和陰 極之間。另外，系統(tǒng)還包括并聯(lián)連接到閘流晶體管SCR的觸發(fā)端和陽極之間的由第二二極 管Dll和反向的齊納二極管Dz組成的第二組件。電阻器Rl也并聯(lián)連接到第一二極管D10。 當(dāng)跨越保護(hù)系統(tǒng)的端子之間的電壓變?yōu)樨?fù)時(shí)，電容器充電。當(dāng)跨在齊納二極管Dz的端子的 電壓達(dá)到最大時(shí)，串聯(lián)的兩個(gè)二極管Dll、Dz傳遞電流并且啟動(dòng)閘流晶體管SCR，然后其從 電源總線的正極線10向負(fù)極線11傳遞電流。下面解釋裝備了輔助開關(guān)SW的本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器的操作。在啟動(dòng)時(shí)，輔助電源系統(tǒng)AUX仍然未啟動(dòng)因此無法傳遞足夠的電壓以截止整流器 模塊20的晶體管T1-T6。由于輔助開關(guān)SW初始斷開，故電流無法流經(jīng)整流器模塊的開關(guān)臂 并且短路電源R。在一段時(shí)間之后，輔助電源系統(tǒng)AUX已經(jīng)啟動(dòng)并且能夠?yàn)檎髌髂K20的晶體管 T1-T6的控制器件CT1、CT2供電。因此晶體管T1-T6能夠直接通過它們的控制器件CT1、 CT2而截止。輔助開關(guān)SW通過它的控制器件CSW而閉合，然后功率轉(zhuǎn)換器能夠正常地工作。在功率轉(zhuǎn)換器的正常操作期間，輔助電源系統(tǒng)AUX可能例如存在故障。在這種情 況下，開關(guān)模塊的晶體管T1-T6不再保持在截止?fàn)顟B(tài)。如圖1示出，當(dāng)檢測到故障時(shí)，控制 信號Y不再能被產(chǎn)生和發(fā)送到用于輔助開關(guān)SW的控制器件CSW。輔助開關(guān)SW因此斷開。 這樣，如前一樣，電流因此不再能流經(jīng)整流器模塊20的開關(guān)臂并且短路電源R。本發(fā)明的益處尤其在于這樣的事實(shí)，其可以使用單個(gè)輔助開關(guān)SW來解決提及的 問題。另外，沒有必要規(guī)定開關(guān)的尺寸以經(jīng)受作為輸入施加的全部電壓。輔助開關(guān)SW必須 規(guī)定尺寸以經(jīng)受全部的電流但是可以規(guī)定尺寸為經(jīng)受較小的電壓而非最大的電壓。
權(quán)利要求
1.一種功率轉(zhuǎn)換器，包括-整流器模塊(20)，上游連接到由電流源供電的幾個(gè)輸入端(inl、in2、in3)； -電源總線，連接到整流器模塊00)的下游并且提供有正極線(10)和負(fù)極線(11)； -電感器(L1、L2)，連接到電源總線的正極線(10)或負(fù)極線(11)； -整流器模塊(20)，包括連接在電源總線的正極線(10)和負(fù)極線(11)之間的若干開 關(guān)臂，每一開關(guān)臂包括串聯(lián)的上部晶體管(T2、T4、T6)和下部晶體管(Τ1、Τ3、Τ5)以及位于 上部晶體管和下部晶體管之間且鏈接到輸入端(inlin2、in3)的連接中點(diǎn)(M1、M2、M3)； -晶體管(T1-T6)，其是常通場效應(yīng)晶體管并且每個(gè)被柵極控制器件(CT1、CD)控制， 其特征在于該功率轉(zhuǎn)換器包括-輔助常斷開關(guān)(SW)，與開關(guān)臂串聯(lián)安置并且連接到電源總線的正極線(10)； -用于控制輔助開關(guān)(SW)的控制器件(CSW)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于它包括逆變器模塊，連接電源總線 的下游和要控制的電子負(fù)載的上游。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于每個(gè)晶體管由柵極控制器件控 制以及其特征在于用于上部晶體管(T2、T4、T6)的柵極控制器件連接到電源總線的正極線 (10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中一個(gè)所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于它包括連接在電源總線 的正極線(10)和負(fù)極線(11)之間的過電壓保護(hù)系統(tǒng)(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中一個(gè)所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于它包括用于檢測故障的 部件，設(shè)計(jì)來與用于輔助開關(guān)(SW)的控制器件(CSW)相互作用。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中一個(gè)所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于該輔助開關(guān)(SW)是機(jī)電 繼電器，或者是MOSFET、BJT或IGBT電子開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中一個(gè)所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于該開關(guān)臂的上部和下部 晶體管是JFET。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于JFET晶體管由碳化硅或氮化鎵制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及電流源功率轉(zhuǎn)換器，在它的整流器模塊(20)和/或它的逆變器模塊中包括開關(guān)臂，其裝備了常通場效應(yīng)晶體管(T1-T6、Q1-Q6)，每個(gè)受控于柵極控制器件(CT1、CT2)。本發(fā)明具有這樣的特別特征常斷輔助開關(guān)(SW)與開關(guān)臂串聯(lián)安置并且連接到電源總線的正極線(10)。該輔助開關(guān)用于在啟動(dòng)期間或在輔助電源(AUX)的故障期間防止電源(R)短路。
文檔編號H02M7/12GK102088250SQ20101056274
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者皮塔·格博維克 申請人:施耐德東芝換流器歐洲公司