專利名稱：改進(jìn)的開(kāi)關(guān)電路和改進(jìn)的功率變換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)大致涉及電功率變換，并且更具體地涉及用于功率變換器的自供電開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
功率變換系統(tǒng)在各種應(yīng)用中被用來(lái)將電功率從一種形式和/或電平，無(wú)論是交流 (AC)還是直流(DC)，變換成另一種形式和/或電平(AC或DC)，諸如高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用的設(shè)有AC輸入功率的脈寬調(diào)制(PWM)電流源整流器被選擇性地切換為創(chuàng)建DC輸出總線電壓，根據(jù)該DC輸出總線電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。功率變換器可包含用于不同類型變換應(yīng)用的多個(gè)級(jí)，諸如用于電機(jī)的AC/DC/AC驅(qū)動(dòng)，其中，首先將給定頻率和電壓的輸入AC功率變換成DC 總線功率，在第二級(jí)中選擇性地切換DC總線功率以創(chuàng)建各種電壓和/或頻率的單相或多相 AC輸出功率。這種類型的變換器尤其適用于在需要可變速度控制的工業(yè)應(yīng)用中以變化的電機(jī)負(fù)載條件驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在一個(gè)或更多個(gè)變換器級(jí)中對(duì)輸入和輸出功率進(jìn)行受控切換時(shí)，功率開(kāi)關(guān)經(jīng)歷了高壓和高電流，其中，基于半導(dǎo)體的切換通常用于以相對(duì)高的頻率切換功率。 切換裝置的控制端子和門(mén)極需要門(mén)極驅(qū)動(dòng)器電路來(lái)生成切換信號(hào)，這些切換信號(hào)在功率變換應(yīng)用中啟動(dòng)用于受控操作的功率開(kāi)關(guān)。在高壓功率變換應(yīng)用中，需要借助與系統(tǒng)接地隔離的功率來(lái)操作門(mén)極驅(qū)動(dòng)器電路，因?yàn)檩斎牒洼敵鲭妷嚎赡苁菐浊Х蚋?。傳統(tǒng)的功率變換器通常采用單獨(dú)的隔離DC功率源來(lái)對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)器電路供電。然而，這些驅(qū)動(dòng)器功率源和隔離變壓器占據(jù)了寶貴的空間，顯著增加了功率變換系統(tǒng)的成本，尤其針對(duì)門(mén)極換流晶閘管(GCT)或集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)開(kāi)關(guān)操作的中高電壓系統(tǒng)更是如此。因此，需要一種改進(jìn)的功率變換系統(tǒng)和門(mén)極驅(qū)動(dòng)器電源，從而能夠以較低成本提供隔離門(mén)極驅(qū)動(dòng)器功率，而不用添加大型外部電源。

實(shí)用新型內(nèi)容下面將概述本公開(kāi)的各個(gè)細(xì)節(jié)以便于基本的理解，但是這樣的概述并不是對(duì)本公開(kāi)的全面概括，并且既不旨在認(rèn)定本公開(kāi)的某些元素，也不旨在描繪其范圍。相反，這個(gè)概述的主要目的是在下文的更詳細(xì)描述之前對(duì)本公開(kāi)的一些概念以簡(jiǎn)化的方式進(jìn)行陳述。通過(guò)提供一種改進(jìn)的自供電電源(SPS)實(shí)現(xiàn)了降低功率變換系統(tǒng)成本和大小的目標(biāo)，這種改進(jìn)的自供電電源可從與功率切換裝置相關(guān)聯(lián)的緩沖器電路獲得能量，并生成用于門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的隔離DC電壓。SPS和緩沖器在切換裝置端子之間形成串聯(lián)電路，從而讓緩沖器電路將充電電流傳輸?shù)絊PS中的存儲(chǔ)裝置，而開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器功率源自于該存儲(chǔ)裝置。本實(shí)用新型提供了一種開(kāi)關(guān)電路，用于選擇性地控制功率變換器的第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)，該開(kāi)關(guān)電路包括具有被分別與第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二開(kāi)關(guān)端子的切換裝置，或者具有被分別與第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和最后端子的、串聯(lián)連接的多個(gè)切換裝置，并且切換裝置具有用于每個(gè)切換裝置的控制端子，控制端子接收切換信號(hào)以選擇性地在傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)下操作切換裝置，用于控制第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)；開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，其具有被與切換裝置的控制端子耦合的輸出端子和用于接收功率的至少一個(gè)功率端子，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器用于使用來(lái)自至少一個(gè)功率端子的功率來(lái)根據(jù)所接收的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)提供切換信號(hào)；緩沖器電路，其具有緩沖器存儲(chǔ)裝置以及被與切換裝置的正極和負(fù)極節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二緩沖器端子；和電源電路，其在正極和負(fù)極節(jié)點(diǎn)之間與緩沖器電路形成串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路與切換裝置并聯(lián)。電源電路包括第一變換器電路，其設(shè)有被耦合到緩沖器電路的全橋整流器以及被與通過(guò)整流器創(chuàng)建的第一DC總線耦合的電源存儲(chǔ)裝置；和第二變換器電路，其設(shè)有隔離DC-DC變換器，隔離DC-DC變換器接收第一 DC總線并提供隔離的主DC輸出，以向開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器提供電功率用于操作開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器。第一變換器電路可包括第一變換器切換裝置，與全橋整流器耦合；二極管，耦合在第一變換器切換裝置和電源存儲(chǔ)裝置之間；和第一變換器控制電路，用于控制第一變換器切換裝置以調(diào)節(jié)第一 DC總線。第二變換器電路的隔離DC-DC變換器可提供輔助DC輸出，并且第一變換器控制電路可通過(guò)輔助DC輸出被供電。開(kāi)關(guān)電路可進(jìn)一步包括診斷電路，診斷電路在操作上被與第一變換器電路耦合以監(jiān)視第一 DC總線，并且在操作上被與第二變換器電路耦合以監(jiān)視主DC輸出。診斷電路可通過(guò)輔助DC輸出被供電。第一變換器電路可包括被與全橋整流器耦合的分流器以感測(cè)緩沖器電流，并且診斷電路可在操作上被與分流器耦合以監(jiān)視緩沖器電流。診斷電路可包括光學(xué)輸出，光學(xué)輸出提供通過(guò)診斷電路檢測(cè)出的至少一個(gè)故障情形的編碼視覺(jué)指示。診斷電路可包括診斷控制輸出，診斷控制輸出提供指示通過(guò)診斷電路檢測(cè)出的至少一個(gè)故障情形的信號(hào)。本實(shí)用新型還提供了一種開(kāi)關(guān)電路，用于選擇性控制功率變換器的第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)，該開(kāi)關(guān)電路包括具有被分別與第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二開(kāi)關(guān)端子的切換裝置，或者設(shè)有被分別與第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和最后端子的、串聯(lián)連接的多個(gè)切換裝置，并且切換裝置具有控制端子，控制端子接收切換信號(hào)以選擇性地在傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)下操作切換裝置，用于控制第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)；開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，其具有被與切換裝置的控制端子耦合的輸出端子和用于接收功率的至少一個(gè)功率端子，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器用于使用來(lái)自至少一個(gè)功率端子的功率來(lái)根據(jù)所接收的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)提供切換信號(hào)；緩沖器電路，其具有緩沖器存儲(chǔ)裝置以及第一和第二緩沖器端子，其中緩沖器端子中的一個(gè)被與切換裝置的正極節(jié)點(diǎn)耦合；和電源電路，其與緩沖器電路形成串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路與切換裝置并聯(lián)。電源電路包括第一變換器電路，其設(shè)有被耦合到緩沖器電路的整流器以及被與通過(guò)整流器創(chuàng)建的第一 DC總線耦合的電源存儲(chǔ)裝置；第二變換器電路，其設(shè)有隔離DC-DC變換器，隔離DC-DC變換器接收第一 DC總線并提供隔離的主DC輸出，以向開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器提供電功率用于操作開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器；和診斷電路，其在操作上被與第一和第二變換器電路中的至少一個(gè)變換器電路耦合，以監(jiān)視開(kāi)關(guān)電路的至少一種情形。本實(shí)用新型進(jìn)一步提供了一種功率變換系統(tǒng)，包括用于接收輸入電功率的輸入； 用于提供輸出電功率的輸出；和切換系統(tǒng)，其包括多個(gè)開(kāi)關(guān)電路，開(kāi)關(guān)電路被與輸入和輸出耦合以根據(jù)多個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)選擇性地從輸入向輸出提供功率。各開(kāi)關(guān)電路包括具有被分別與第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二開(kāi)關(guān)端子的切換裝置，或者設(shè)有被分別與第一和第二電路節(jié)點(diǎn)連接的第一和最后端子的、串聯(lián)連接的多個(gè)切換裝置，并且切換裝置具有控制端子，控制端子接收切換信號(hào)以選擇性地在傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)下操作切換裝置，用于控制第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)；開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，其具有被與切換裝置的控制端子耦合的輸出端子和用于接收功率的至少一個(gè)功率端子，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器用于使用來(lái)自至少一個(gè)功率端子的功率來(lái)根據(jù)所接收的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)提供切換信號(hào)；緩沖器電路，其具有緩沖器存儲(chǔ)裝置以及第一和第二緩沖器端子，緩沖器端子中的一個(gè)被與切換裝置的正極節(jié)點(diǎn)耦合；和電源電路，其與緩沖器電路形成串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路與切換裝置并聯(lián)。電源電路包括第一變換器電路，其設(shè)有被耦合到緩沖器電路的全橋整流器以及被與通過(guò)整流器創(chuàng)建的第一 DC總線耦合的電源存儲(chǔ)裝置；和第二變換器電路，其設(shè)有隔離DC-DC 變換器，隔離DC-DC變換器接收第一 DC總線并提供隔離的主DC輸出，以向開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器提供電功率用于操作開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或更多個(gè)方面，功率變換系統(tǒng)和其開(kāi)關(guān)電路用于進(jìn)行受控的電功率變換，其中，開(kāi)關(guān)電路包括切換裝置、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器、緩沖器電路和電源電路，該電源電路與緩沖器電路形成與切換裝置并聯(lián)的串聯(lián)電路。電源電路包括具有被與緩沖器耦合的整流器的第一變換器電路、被與通過(guò)整流器創(chuàng)建的第一 DC總線耦合的電源存儲(chǔ)裝置以及具有隔離DC-DC變換器的第二變換器電路，該隔離DC-DC變換器提供隔離主DC輸出來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行供電。在一些實(shí)施例中，第一變換器電路中的整流器是全橋整流器。在一些實(shí)施例中，第一變換器電路包含被與整流器耦合的第一變換器切換裝置、被耦合在變換器切換裝置和電源儲(chǔ)存裝置之間的二極管，以及用于控制變換器切換裝置以調(diào)節(jié)第一 DC總線的第一變換器控制電路。在一些實(shí)施例中，隔離DC-DC變換器提供對(duì)第一變換器控制電路供電的輔助DC輸出。根據(jù)本公開(kāi)的其他方面，開(kāi)關(guān)電路包含在操作上被與變換器電路中的一個(gè)或者兩個(gè)耦合的診斷電路，該診斷電路監(jiān)視開(kāi)關(guān)電路的至少一種情形，諸如第一 DC總線、主DC總線、緩沖器電流等的狀態(tài)。一些實(shí)施例中的輔助DC輸出對(duì)診斷電路供電。第一變換器電路可包含被與整流器耦合以感測(cè)緩沖器電流的分流器，并且診斷電路在操作上被與分流器耦合以監(jiān)視緩沖器電流。診斷電路可包含光學(xué)輸出，該光學(xué)輸出提供所檢測(cè)出的故障情形的編碼視覺(jué)指示，也可含診斷控制輸出，該診斷控制輸出提供指示通過(guò)診斷電路檢測(cè)出的至少一個(gè)故障情形的信號(hào)，諸如供變換器控制系統(tǒng)使用，從而在懷疑緩沖器發(fā)生故障時(shí)便于快速關(guān)閉。

下文描述和附圖詳細(xì)陳述了一些說(shuō)明性的實(shí)施方式，這些實(shí)施方式指示了一些可執(zhí)行本公開(kāi)的各個(gè)原理的例示性方式。然而，所說(shuō)明的實(shí)例并不能窮盡本公開(kāi)的許多可能實(shí)施例。下文將結(jié)合附圖在本公開(kāi)的具體實(shí)施方式
部分描述本公開(kāi)的其他目標(biāo)、優(yōu)點(diǎn)和新穎特征，在附圖中圖1是描述根據(jù)本公開(kāi)的包括開(kāi)關(guān)電路的例示性功率變換系統(tǒng)的示意圖；圖2是進(jìn)一步描述圖1的系統(tǒng)中的例示性開(kāi)關(guān)電路的細(xì)節(jié)的示意圖，其中雙級(jí)電源電路使用源自緩沖器的功率對(duì)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路供電；圖3是進(jìn)一步描述圖1和圖2的電源電路的第一級(jí)中的撬桿(crowbar)開(kāi)關(guān)控制電路的細(xì)節(jié)的示意圖；圖4是描述圖1和圖2的雙級(jí)電源電路的例示性存儲(chǔ)DC和主DC電壓波形的曲線圖；圖5是描述圖1和圖2的雙級(jí)電源電路中例示性診斷電路的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)的示意圖；和圖6是描述圖1和圖2的電源電路的第二級(jí)中例示性隔離DC-DC變換器的示意 圖。
具體實(shí)施方式
參照附圖，下文將結(jié)合附圖對(duì)一些實(shí)施例或?qū)嵤┓绞竭M(jìn)行描述，其中，在各處中相同的參考標(biāo)記指代相同的元素，并且其中各個(gè)特征并不一定是按比例繪制的。圖1描述了一個(gè)例示性功率變換系統(tǒng)或功率變換器102，它具有多個(gè)自供電開(kāi)關(guān)電路110，用于將輸入電功率受控地變換成輸出電功率。所說(shuō)明的功率變換器102是脈寬調(diào)制(PWM)電流源整流器(CSR)，它可在用于電機(jī)的高功率驅(qū)動(dòng)中適用，下文還將說(shuō)明和描述本公開(kāi)的各種特征。 然而，本公開(kāi)有利地用于任何類型的單級(jí)或多級(jí)切換的功率變換系統(tǒng)中，其中本公開(kāi)并不限于特定說(shuō)明的實(shí)例。系統(tǒng)102在相位端子處通過(guò)可選的源電感器LsA、Lsb和Lsc從三相源 104接收輸入電功率，其中，通過(guò)源104提供的電壓和電流可以是任何值。變換器102還包含可選的輸入濾波電容器CF。變換器102包括6個(gè)對(duì)稱的開(kāi)關(guān)電路110，在圖1中分別標(biāo)記為^u、SB1, Sci和^、SB2, Se2，這些開(kāi)關(guān)電路110可用于根據(jù)通過(guò)切換控制系統(tǒng)120提供的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)122，將AC輸出相位線路A、B和C與兩個(gè)DC總線輸出線路P和N中的一個(gè)選擇性地耦合。在控制下提供信號(hào)122將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電路110在輸出106的端子P和N處創(chuàng)建DC輸出電壓，用于驅(qū)動(dòng)在圖1中表示為與電感Ld串聯(lián)的電阻Rd的負(fù)載。單個(gè)開(kāi)關(guān)電路110包含切換裝置112、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114、緩沖器電路116和電源電路(例如自供電電源或SPS) 118，并且被配置為緩沖器116和電源電路118在開(kāi)關(guān)112兩端上形成串聯(lián)路徑。開(kāi)關(guān)電路110提供用于被與諸如輸入104的線路A、B和C或變換器輸出106的線路P、N(圖1)的第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的端子，其中切換裝置112被連接在這些電路節(jié)點(diǎn)之間以選擇性地耦合或分離這些節(jié)點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)電壓、裝置額定電壓和功率損耗要求， 可以按圖1中6個(gè)位置中的每個(gè)位置所示，將多個(gè)開(kāi)關(guān)電路110串聯(lián)使用，從而共享電壓并降低每個(gè)開(kāi)關(guān)電路上的功率損耗。開(kāi)關(guān)電路110也具有用于從切換控制系統(tǒng)120接收開(kāi)關(guān)控制信號(hào)122的控制端子。開(kāi)關(guān)112可以是可用于根據(jù)切換信號(hào)選擇性地允許或抑制電流傳導(dǎo)的任何形式的電功率開(kāi)關(guān)，諸如可控硅整流器(SCR)、GCT、IGCT、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、對(duì)稱門(mén)極換流晶閘管(SGCT)等。開(kāi)關(guān)112包括被與電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二開(kāi)關(guān)端子以及被耦合到開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114的輸出端子的第一門(mén)極或控制端子?？刂贫俗訌尿?qū)動(dòng)器114接收切換信號(hào)用于進(jìn)行受控操作，以將開(kāi)關(guān)112設(shè)置在傳導(dǎo)狀態(tài)或非傳導(dǎo)狀態(tài)，從而控制電路節(jié)點(diǎn)之間的電流傳導(dǎo)。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114具有被與開(kāi)關(guān)控制端子耦合的輸出端子， 在開(kāi)關(guān)控制端子處根據(jù)所接收的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)122提供切換信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器114還包含至少一個(gè)功率端子，在所述功率端子處從電源電路118接收功率，在圖1中表示為開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電壓Vsd。因此，與傳統(tǒng)功率變換器不同，系統(tǒng)102不需要單獨(dú)的供電總線或系統(tǒng)來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)電路 110的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器114供電，因?yàn)檫@些門(mén)極驅(qū)動(dòng)器是通過(guò)SPS 118的操作自供電的，如下文進(jìn)一步描述的。在Zargari等人申請(qǐng)并轉(zhuǎn)讓給本公開(kāi)的受讓人的第7，511，976號(hào)美國(guó)專利 (2009年3月31日授權(quán))中公開(kāi)了自供電電源的進(jìn)一步描述，該專利的全文以引用的方式并入本文中。在操作中，切換控制系統(tǒng)120根據(jù)脈寬調(diào)制機(jī)制，在考慮了所希望的或設(shè)定的輸出電壓或電流以及電流輸出情況的前提下，提供開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，其中，切換控制系統(tǒng)120優(yōu)選地接收一個(gè)或更多個(gè)反饋信號(hào)(未圖示)并得出適當(dāng)?shù)那袚Q脈寬或其他切換模式，并且開(kāi)關(guān)控制信號(hào)通常是在任何給定時(shí)間處以兩個(gè)不同電平中的一個(gè)電平設(shè)置的脈沖波形，其中脈寬和定時(shí)被設(shè)置成將變換器輸出106引導(dǎo)到所希望的或設(shè)定的狀態(tài)。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114 接收控制信號(hào)122并相應(yīng)地提供切換信號(hào)，從而使用功率端子處提供的電壓Vsd來(lái)控制切換裝置112的操作。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114和切換裝置112在一些實(shí)施例中是集成的。例如，切換裝置112可以是GCT，這種GCT的門(mén)極控制端子從開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114接收切換信號(hào)，其中，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114和開(kāi)關(guān)112形成IGCT。再參照?qǐng)D2，緩沖器電路116包括至少一個(gè)緩沖器存儲(chǔ)裝置，諸如一個(gè)電容Cs或更多個(gè)電容等，并且包含第一和第二緩沖器端子。一個(gè)緩沖器端子被與開(kāi)關(guān)112的正極節(jié)點(diǎn)耦合，另一個(gè)緩沖器端子被與電路節(jié)點(diǎn)耦合，SPS 118和緩沖器116借此在電路節(jié)點(diǎn)之間形成被與開(kāi)關(guān)端子并聯(lián)連接的串聯(lián)電路。在這種構(gòu)造中，緩沖器116吸收切換能量以保護(hù)開(kāi)關(guān)112，并向電源電路118提供至少一部分上述緩沖器能量，以對(duì)驅(qū)動(dòng)器114供電并實(shí)施本文所述的診斷功能。例示性電源電路118包含第一變換器電路130(圖2中的變換器1)以及第二變換器電路140(圖2中的變換器幻，第一變換器電路130從緩沖器電路116提取能量并將所提取的能量存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電容器135中，第二變換器電路140將電容器135上的存儲(chǔ)DC電壓變換為主DC輸出144，以對(duì)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114供電。例示性第一變換器電路130包含被耦合到緩沖器電路116的全橋整流器131，全橋整流器131創(chuàng)建電源儲(chǔ)存裝置135兩端上的第一 DC總線138。另外，第一變換器電路130包含第一變換器切換裝置132(例如SCR、IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)或其他主動(dòng)型半導(dǎo)體開(kāi)關(guān))，第一變換器切換裝置 132形成整流器131的輸出端子兩端上的撬桿電路，并可用于根據(jù)來(lái)自變換器(撬桿)控制電路133的信號(hào)以通過(guò)選擇性地分流經(jīng)整流的緩沖器電流來(lái)調(diào)節(jié)第一DC總線，第一變換器電路130還包括被耦合在撬桿開(kāi)關(guān)132和存儲(chǔ)電容器135之間的二極管134。這樣，第一變換器電路130使用從緩沖器116提取的能量整流并調(diào)節(jié)第一 DC總線138 (存儲(chǔ)DC)，并將總線作為輸入提供到第二變換器電路140。無(wú)論緩沖器電流的極性如何，第一變換器電路130 工作以從緩沖器116提取能量，其中，當(dāng)開(kāi)關(guān)112的端子上的電壓為正時(shí)并且開(kāi)關(guān)電壓為負(fù)時(shí)，存儲(chǔ)電容135從緩沖器電路116接收充電電流。下面將在圖3中進(jìn)一步描述例示性撬桿控制電路133的其他細(xì)節(jié)。例示性第一變換器電路130還包含被與整流器131耦合以感測(cè)緩沖器電流的并將所感測(cè)的緩沖器電流信號(hào)提供給第二變換器電路140中的診斷電路146 的分流器136，還包括用于測(cè)試電路118功能的測(cè)試輸出137(例如，測(cè)試連接器或接口上的引腳)。第二變換器電路140包含隔離DC-DC變換器141，隔離DC-DC變換器141接收第一 DC總線138并提供隔離主DC輸出(Vsd) 144以對(duì)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114供電。下文將結(jié)合圖6進(jìn)一步描述例示性隔離DC-DC變換器141。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，第二變換器140生成提供給濾波器143的DC輸出142，并且濾波器143的輸出作為主DC輸出144，其中主DC輸出被提供給診斷電路146用于進(jìn)行監(jiān)視。DC-DC變換器141也提供用于對(duì)撬桿控制電路133和診斷電路146供電的輔助DC輸出145。診斷電路146提供一個(gè)或更多個(gè)輸出信號(hào)、值或指示147，以向切換控制系統(tǒng)120和/或用戶通知開(kāi)關(guān)電路110的診斷情形，而下文將結(jié)合圖 5對(duì)診斷電路146進(jìn)行更詳細(xì)的描述。第二變換器電路140具有低和高電壓保護(hù)以及短路保護(hù)，并且經(jīng)由變換器141創(chuàng)建多個(gè)DC輸出，包括用于開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114的主DC輸出144、分別用于撬桿控制和診斷電路133和146的輔助DC輸出145。另外，例示性變換器電路140 提供可調(diào)節(jié)的啟動(dòng)電壓，并且當(dāng)測(cè)試線纜被連接到測(cè)試輸出148時(shí)自動(dòng)將變換器102帶入測(cè)試模式。在圖2的開(kāi)關(guān)電路110的操作過(guò)程中，電路110被耦合在變換器電路節(jié)點(diǎn)A(圖1 中的AC輸出線路A)和P (系統(tǒng)102中的DC輸出端子P)之間，而SPS電源電路118將從緩沖器電路116傳輸?shù)哪芰孔儞Q為經(jīng)調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器DC電壓Vsd (在一個(gè)實(shí)例中為約20V)， 用于驅(qū)動(dòng)GCT型門(mén)極驅(qū)動(dòng)器114借助大約l-35kV的操作電壓在中壓變換器102中操作GCT 裝置112，其中，DC-DC變換器141在緩沖器電路116和GCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)器114間提供約幾百伏的電絕緣。這時(shí)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器114變換并使用緩沖器能量，以生成正門(mén)極電壓來(lái)開(kāi)啟GCT 開(kāi)關(guān)112(傳導(dǎo)狀態(tài))或生成負(fù)門(mén)極電壓來(lái)關(guān)閉開(kāi)關(guān)112(非傳導(dǎo)狀態(tài))。也可以在電路節(jié)點(diǎn)A和P之間使用串聯(lián)的開(kāi)關(guān)電路110，從而增加電壓容量并減少切換功率損耗?，F(xiàn)參照?qǐng)D3和4，圖3描述了例示性撬桿開(kāi)關(guān)控制電路133的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，控制電路133是利用來(lái)自輔助DC 145的功率來(lái)操作的。電路133提供用于結(jié)合隔離DC-DC變換器141的測(cè)試輸出148來(lái)測(cè)試電路118的測(cè)試輸出137(例如測(cè)試連接器或接口上的引腳)。在操作中，控制電路133判斷存儲(chǔ)DC 138是否高于預(yù)設(shè)值，若高于的話，則開(kāi)啟撬桿開(kāi)關(guān)132。另外，例示性控制電路133采用滯后或類似控制技術(shù)限制撬桿開(kāi)關(guān)132的切換頻率，并控制存儲(chǔ)DC軌138上的DC波動(dòng)。分流器調(diào)節(jié)器或齊納Ul. 1和串聯(lián)調(diào)節(jié)器Ul. 2調(diào)節(jié)輔助DC電壓145的電壓，以在一個(gè)實(shí)例中創(chuàng)建出7. 5V的DC功率電源和2. 5V的DC基準(zhǔn)電壓。存儲(chǔ)DC軌138的電壓由運(yùn)算放大器Ul. 3緩沖，并提供給運(yùn)算放大器Ul. 4的同相輸入。U1.4又將該輸入與2.5V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并生成用于晶體管/M0SFET/IGBT T1.1 的選通信號(hào)，所述信號(hào)用來(lái)控制撬桿開(kāi)關(guān)132的門(mén)極，使得當(dāng)Tl. 1開(kāi)啟時(shí)，撬桿開(kāi)關(guān)132分流緩沖器電流，而晶體管Tl. 1被連接到輔助DC軌145以防止發(fā)生撬桿開(kāi)關(guān)132的門(mén)極電流引發(fā)的對(duì)7. 5V的DC的干擾。結(jié)合所說(shuō)明的實(shí)施例中的電壓值7.5V和2.5V來(lái)選擇電阻 Rl. 4、R1. 5、R1. 7和Rl. 8的值以控制滯后帶，進(jìn)而控制存儲(chǔ)電容器135上的DC波動(dòng)和撬桿開(kāi)關(guān)132的切換頻率。再參照?qǐng)D4中的曲線圖200，可經(jīng)由電路133將存儲(chǔ)DC總線138的電壓和它的波動(dòng)電流控制到上限(VuppJ和下限(V1otct)之間可接受的水平。另外，圖6中所示的控制電路Con2. 1將另一滯后帶控制在起始電SVstart和停止電壓Vst。p之間，具有起始電壓Vstmt的未濾波的主DC輸出142是有效的(高的)，而具有停止電壓Vst。p的主DC輸出142無(wú)法繼續(xù)被維持。此外，將測(cè)試線纜連接到電阻Rl. 5兩端上的測(cè)試引腳137以使撬桿開(kāi)關(guān)132設(shè)為禁用。圖5進(jìn)一步說(shuō)明了第二變換器電路140中的例示性診斷電路146。診斷電路 146(經(jīng)由來(lái)自圖2中分流器136的信號(hào))監(jiān)視緩沖器電流、存儲(chǔ)DC軌電壓138和經(jīng)濾波的主DC總線電壓144。如圖5中所示，經(jīng)由低通濾波器160將來(lái)自分流器136的被感測(cè)的緩沖器電流信號(hào)提供作為監(jiān)視邏輯電路162的感測(cè)輸入％ηι。濾波器160后的均方根緩沖器電流由下式(1)給定
權(quán)利要求1.一種開(kāi)關(guān)電路(110)，用于選擇性地控制功率變換器(102)的第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)，所述開(kāi)關(guān)電路(110)包括具有被分別與所述第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二開(kāi)關(guān)端子的切換裝置 (112)，或者具有被分別與所述第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和最后端子的、串聯(lián)連接的多個(gè)切換裝置，并且所述切換裝置具有用于每個(gè)切換裝置的控制端子，所述控制端子接收切換信號(hào)以選擇性地在傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)下操作所述切換裝置(112)， 用于控制所述第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)；開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)，所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器具有被與所述切換裝置(112)的所述控制端子耦合的輸出端子和用于接收功率的至少一個(gè)功率端子，所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)用于使用來(lái)自所述至少一個(gè)功率端子的功率來(lái)根據(jù)所接收的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)(122)提供所述切換信號(hào)；緩沖器電路(116)，所述緩沖器電路具有緩沖器存儲(chǔ)裝置(Cs)以及被與所述切換裝置的正極和負(fù)極節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二緩沖器端子；和電源電路(118)，所述電源電路在所述正極和負(fù)極節(jié)點(diǎn)之間與所述緩沖器電路(116) 形成串聯(lián)電路，所述串聯(lián)電路與所述切換裝置(11 并聯(lián)，所述電源電路(118)包括第一變換器電路(130)，所述第一變換器電路設(shè)有被耦合到所述緩沖器電路(116)的全橋整流器(131)以及被與通過(guò)所述整流器(131)創(chuàng)建的第一直流DC總線(138)耦合的電源存儲(chǔ)裝置(13 ；和第二變換器電路(140)，所述第二變換器電路設(shè)有隔離直流至直流DC-DC變換器 (141)，所述隔離DC-DC變換器接收所述第一 DC總線(138)并提供隔離的主直流DC輸出 (144)，以向所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)提供電功率用于操作所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)電路(110)，其中所述第一變換器電路(130)包括第一變換器切換裝置(132)，所述第一變換器切換裝置被與所述全橋整流器(131)耦合；二極管(134)，所述二極管被耦合在所述第一變換器切換裝置(13 和所述電源存儲(chǔ)裝置(135)之間；和第一變換器控制電路(133)，所述第一變換器控制電路用于控制所述第一變換器切換裝置(132)以調(diào)節(jié)所述第一 DC總線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開(kāi)關(guān)電路(110)，其中所述第二變換器電路(140)的所述隔離DC-DC變換器(141)提供輔助直流DC輸出(145)，并且其中所述第一變換器控制電路 (133)通過(guò)所述輔助DC輸出(145)被供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)電路(110)，進(jìn)一步包括診斷電路(146)，所述診斷電路在操作上被與所述第一變換器電路(130)耦合以監(jiān)視所述第一 DC總線，并且在操作上被與所述第二變換器電路(140)耦合以監(jiān)視所述主DC輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開(kāi)關(guān)電路(110)，其中所述第二變換器電路(140)的所述隔離DC-DC變換器(141)提供輔助直流DC輸出(145)，并且其中所述診斷電路(146)通過(guò)所述輔助DC輸出(145)被供電。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開(kāi)關(guān)電路(110)，其中所述第一變換器電路(130)包括被與所述全橋整流器(131)耦合的分流器(136)以感測(cè)緩沖器電流，并且其中所述診斷電路 (146)在操作上被與分流器(136)耦合以監(jiān)視所述緩沖器電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開(kāi)關(guān)電路(110)，其中所述診斷電路(146)包括光學(xué)輸出 (180、182)，所述光學(xué)輸出提供通過(guò)所述診斷電路(146)檢測(cè)出的至少一個(gè)故障情形的編碼視覺(jué)指示。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開(kāi)關(guān)電路(110)，其中所述診斷電路(146)包括診斷控制輸出(190)，所述診斷控制輸出提供指示通過(guò)所述診斷電路(146)檢測(cè)出的至少一個(gè)故障情形的信號(hào)。
9.一種開(kāi)關(guān)電路(110)，用于選擇性控制功率變換器(102)的第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)，所述開(kāi)關(guān)電路(110)包括具有被分別與所述第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二開(kāi)關(guān)端子的切換裝置 (112)，或者設(shè)有被分別與所述第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和最后端子的、串聯(lián)連接的多個(gè)切換裝置，并且所述切換裝置具有控制端子，所述控制端子接收切換信號(hào)以選擇性地在傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)下操作切換裝置(112)，用于控制第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)；開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)，所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器具有被與所述切換裝置(11 的所述控制端子耦合的輸出端子和用于接收功率的至少一個(gè)功率端子，所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)用于使用來(lái)自所述至少一個(gè)功率端子的功率來(lái)根據(jù)所接收的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)(122)提供所述切換信號(hào)；緩沖器電路(116)，所述緩沖器電路具有緩沖器存儲(chǔ)裝置(Cs)以及第一和第二緩沖器端子，其中所述緩沖器端子中的一個(gè)被與所述切換裝置的正極節(jié)點(diǎn)耦合；和電源電路(118)，所述電源電路與所述緩沖器電路(116)形成串聯(lián)電路，所述串聯(lián)電路與所述切換裝置(112)并聯(lián)，所述電源電路(118)包括第一變換器電路(130)，所述第一變換器電路設(shè)有被耦合到所述緩沖器電路(116)的整流器(131)以及被與通過(guò)所述整流器(131)創(chuàng)建的第一直流DC總線(138)耦合的電源存儲(chǔ)裝置(135)；第二變換器電路(140)，所述第二變換器電路設(shè)有隔離直流至直流DC-DC變換器 (141)，所述隔離DC-DC變換器接收所述第一 DC總線(138)并提供隔離的主直流DC輸出 (144)，以向所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)提供電功率用于操作所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)；和診斷電路(146)，所述診斷電路在操作上被與所述第一和第二變換器電路(130、140) 中的至少一個(gè)變換器電路耦合，以監(jiān)視所述開(kāi)關(guān)電路(110)的至少一種情形。
10.一種功率變換系統(tǒng)(102)，包括 用于接收輸入電功率的輸入(104)； 用于提供輸出電功率的輸出(106)；切換系統(tǒng)，所述切換系統(tǒng)包括多個(gè)開(kāi)關(guān)電路(110)，所述開(kāi)關(guān)電路被與所述輸入(104) 和所述輸出(106)耦合以根據(jù)多個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)(12 選擇性地從所述輸入(104)向所述輸出(106)提供功率，所述各開(kāi)關(guān)電路(110)包括具有被分別與所述第一和第二電路節(jié)點(diǎn)耦合的第一和第二開(kāi)關(guān)端子的切換裝置 (112)，或者設(shè)有被分別與所述第一和第二電路節(jié)點(diǎn)連接的第一和最后端子的、串聯(lián)連接的多個(gè)切換裝置，并且所述切換裝置具有控制端子，所述控制端子接收切換信號(hào)以選擇性地在傳導(dǎo)狀態(tài)和非傳導(dǎo)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)下操作所述切換裝置(112)，用于控制第一和第二電路節(jié)點(diǎn)間的電流傳導(dǎo)；開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)，所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器具有被與所述切換裝置(11 的所述控制端子耦合的輸出端子和用于接收功率的至少一個(gè)功率端子，所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)用于使用來(lái)自所述至少一個(gè)功率端子的功率來(lái)根據(jù)所接收的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)(122)提供所述切換信號(hào)；緩沖器電路(116)，所述緩沖器電路具有緩沖器存儲(chǔ)裝置(Cs)以及第一和第二緩沖器端子，所述緩沖器端子中的一個(gè)被與所述切換裝置的正極節(jié)點(diǎn)耦合；和電源電路(118)，所述電源電路與所述緩沖器電路(116)形成串聯(lián)電路，所述串聯(lián)電路與所述切換裝置(112)并聯(lián)，所述電源電路(118)包括第一變換器電路(130)，所述第一變換器電路設(shè)有被耦合到所述緩沖器電路(116)的全橋整流器(131)以及被與通過(guò)所述整流器(131)創(chuàng)建的第一直流DC總線(138)耦合的電源存儲(chǔ)裝置(13 ；和第二變換器電路(140)，所述第二變換器電路設(shè)有隔離直流至直流DC-DC變換器 (141)，所述隔離DC-DC變換器接收所述第一 DC總線(138)并提供隔離的主直流DC輸出 (144)，以向所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)提供電功率用于操作所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(114)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種改進(jìn)的開(kāi)關(guān)電路和改進(jìn)的功率變換系統(tǒng)。該開(kāi)關(guān)電路包括切換裝置、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器、緩沖器電路和電源電路；該電源電路與緩沖器電路形成與切換裝置并聯(lián)的串聯(lián)電路，電源電路包括具有被與緩沖器耦合的整流器的第一變換器電路、被與通過(guò)整流器創(chuàng)建的第一DC總線耦合的電源存儲(chǔ)裝置以及具有隔離DC-DC變換器的第二變換器電路，該隔離DC-DC變換器提供隔離主DC輸出來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行供電。該功率變換系統(tǒng)包括，用于接收輸入電功率的輸入；用于提供輸出電功率的輸出；和切換系統(tǒng)，其包括多個(gè)開(kāi)關(guān)電路，開(kāi)關(guān)電路被與輸入和輸出耦合以根據(jù)多個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)選擇性地從輸入向輸出提供功率。
文檔編號(hào)H02M7/217GK202076948SQ201020179969
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者安杰洛·R·博爾托盧斯, 程仲元, 納維德·R·扎加里 申請(qǐng)人:洛克威爾自動(dòng)控制技術(shù)股份有限公司