轉(zhuǎn)換器設備和裝備有這樣的設備的不間斷電源的制作方法

文檔序號：7330340閱讀：218來源：國知局

專利名稱：轉(zhuǎn)換器設備和裝備有這樣的設備的不間斷電源的制作方法
轉(zhuǎn)換器設備和裝備有這樣的設備的不間斷電源
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及例如用在不間斷電源中的諸如逆變器之類的轉(zhuǎn)換器的領域，具體地說用在大功率不間斷電源中的轉(zhuǎn)換器，即具有一般包括在大約IOOkVA和500kVA之間的功率。本發(fā)明更具體地涉及一種轉(zhuǎn)換器設備，使得能夠通過對基于參考電壓線REF上和分別來自于兩個開關單元UCl、UC4的符號相反的兩個DC電壓輸入端P、N上的可用的三個基本DC電壓-UAaUREFWA的、在調(diào)制信號輸出端SM上獲得的脈沖進行濾波來提供AC電壓VS和電流IS，每個開關單元包括開關輸出端S1、S4，以提供脈沖，該脈沖的幅度在所述開關單元的第一開關狀態(tài)中所述開關單元的輸入端上的電壓和所述開關單元的第二開關狀態(tài)中所述參考電壓線上的電壓之間變化，每個開關單元包括連接在所述開關單元的輸入端和開關輸出端Si、S4之間的第一開關Tl、T4，以通過導通所述第一開關建立所述第一開關狀態(tài)，對于每個開關單元，所述設備包括與所述開關單元有關的第二開關T2、T3，連接在所述開關單元和所述調(diào)制信號輸出端之間以通過導通所述第二開關激活所述開關單元。本發(fā)明還涉及不間斷電源101，包括施加AC輸入電壓的電源輸入端102、連接到所述輸入端的整流器103、連接在所述整流器的輸出端上的符號相反的兩個基本DC電壓線、以及連接到所述基本DC電壓線并且包括被設計為提供安全的電壓的輸出端107的逆變器(106)。
背景技術(shù)：
正在發(fā)展逆變器以提高它們的效率并減少由開關頻率(通常較低，大約幾千赫茲)產(chǎn)生的噪聲干擾。關于這一點，已經(jīng)表明了興趣在于使用呈現(xiàn)幾個電平(一般為三個電平)上的拓撲的逆變器。參考圖1，用參考標號1表示的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的三電平逆變器在相線上提供AC電壓VS和電流IS。通過對基于參考電壓線REF和連接到下面描述的開關單元的輸入端P、N 的符號相反的兩個電壓源上的可用的三個基本DC電壓電平-UAjREFWA的、在調(diào)制信號輸出端SM上獲得的脈沖進行濾波來獲得AC電壓VS和電流IS。使用的濾波裝置包括連接在調(diào)制信號輸出端SM和AC電壓VS和電流IS輸出端之間的電感器L。該濾波裝置一般地包括連接在AC電壓VS輸出端和與參考電壓線REF呈現(xiàn)相同的電勢的參考電壓點之間的電容器C(未示出)。圖1所示的逆變器包括由控制單元(未示出)控制的兩個開關單元UC1、UC4。開關單元分別包括分別連接到正和負電壓源的正DC電壓輸入端P和負DC電壓輸入端N。每個開關單元UCl、UC4—側(cè)連接到與所述輸入端P、N中之一對應的電壓源并且連接到參考電壓線REF，另一側(cè)連接到調(diào)制信號輸出端SM。每個開關單元UC1、UC4包括第一開關，具有連接在所述開關單元的電壓輸入端P、N和調(diào)制信號輸出端SM之間的晶體管Tl、T4。在開關單元UCl、UC4的晶體管Tl、T4導通時，調(diào)制信號輸出端SM上的電壓基本上等于所述開關單元的電壓輸入端P、N的DC電壓+UA、-\Sll。晶體管Tl、T4的導通狀態(tài)對應于開關單元 UCl、UC4的第一開關狀態(tài)。在此第一開關狀態(tài)中，晶體管Tl、T4可以將功率從輸入端P、N 傳送到調(diào)制信號輸出端SM。當晶體管T1、T4截止時，在下面描述的第二開關Τ2、Τ3使得調(diào)制信號輸出端SM上的電壓能夠切換到基本上等于參考電壓的值，其對應于開關單元UC1、 UC4的第二開關狀態(tài)。對于每個開關單元UC1、UC4，圖1所示的逆變器進一步包括以上所述的第二開關。此第二開關具有連接在所述開關單元和調(diào)制信號輸出端SM之間的晶體管T2、T3。每個開關單元UC1、UC4的晶體管T2、T3在導通時實質(zhì)上根據(jù)AC電壓VS的符號激活了所述開關單元的開關。當AC電壓VS與所述開關單元的輸入端P、N上可用的電壓具有相同的符號時，其中每個開關單元UC1、UC4的晶體管Τ2、Τ3激活了所述開關單元從第一開關狀態(tài)到第二開關狀態(tài)的切換。每個開關單元UCl、UC4進一步包括連接在參考電壓線REF和調(diào)制信號輸出端SM 之間的二極管DH、DB。更確切地說，每個開關單元的晶體管T2、T3和二極管DH、DB串聯(lián)連接在參考電壓線REF和調(diào)制信號輸出端SM之間。每個開關單元UC1、UC4的二極管DH、DB 使得能夠在晶體管Τ1、Τ4截止時從第一開關狀態(tài)切換到第二開關狀態(tài)。當晶體管Τ2、Τ3導通時，此與晶體管Τ1、Τ4的截止有關的第二開關狀態(tài)使得能夠在調(diào)制信號輸出端SM上獲得基本上等于參考電壓UREF的電壓。用這種方法，當所述開關單元被激活時，每個開關單元 UCl、UC4的晶體管Tl、Τ4在調(diào)制信號輸出端SM上提供幅度在所述開關單元的第一開關狀態(tài)中所述開關單元的輸入端上的電壓的值和所述開關單元的第二開關狀態(tài)中參考電壓線上的電壓的值之間變化的脈沖。值得注意的是，這些脈沖呈現(xiàn)與涉及的開關單元的電壓輸入端P、N上可用的電壓相同的符號。第一和第二開關的晶體管Tl、Τ2、Τ3、Τ4 一般是通常用在電子功率開關中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT。這些開關中的每一個包括二極管D1、D2、D3、D4，與所述開關單元的晶體管T1、T2、T3、T4并聯(lián)連接，并且其方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。在無功階段期間，即當AC電壓VS和AC電流IS具有相反的符號時，這些二極管Dl、D2、D3、D4使能轉(zhuǎn)換器設備的操作。當實施圖1的轉(zhuǎn)換器設備時，當開關單元UCl的第一開關Tl斷開時，即當所述第一開關的晶體管Tl截止時，開關單元UC4的第一開關Τ4的斷開導致第一開關Tl的端子處的電壓降基本上等于開關單元UC1、UC4的輸入端P、N之間的電勢差U。這意味著不得不選擇第一開關T1、T4的晶體管的額定電壓高于此電勢差U。在每個輸入端Ρ、Ν和參考線之間的電勢差U/2大于300伏的情況下，第一開關，即晶體管Τ1、Τ4因此不得不具有高于600伏的額定電壓，即一般1200伏的額定電壓。參考根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圖2，參考標號11表示的三電平逆變器實質(zhì)上包括與圖1所示的三電平逆變器相同的元件，但是不同地布置這些元件。與圖1所示的逆變器1相比較，逆變器11使得能夠降低第一開關Τ1、Τ4的額定值。在此設置中，不同地布置開關單元UC1、 UC4，并且開關單元UC1、UC4包括與調(diào)制信號輸出端SM不同的開關輸出端Si、S4。每個開關單元UC1、UC4的第一開關，即晶體管T1、T4連接在所述開關單元的輸入端P、N和開關輸出端S1、S4之間。通過閉合第一開關，即通過導通所述第一開關的晶體管T1、T4，建立第一開關狀態(tài)。每個開關單元UCl、UC4的二極管DH、DB連接在參考電壓線REF和所述開關單元的開關輸出端Si、S4之間，以在第一開關斷開時，即在第一開關的晶體管Tl、Τ4截止時，建立第二開關狀態(tài)。從而當?shù)谝婚_關Tl、Τ4發(fā)生斷開時，每個開關單元UC1、UC4的二極管 DH、DB使得能夠在所述開關單元的開關輸出端S1、S4上建立等于參考電壓的電壓。與開關單元UC1、UC4有關的第二開關T2、T3連接在所述開關單元和調(diào)制信號輸出端SM之間，并且使得能夠通過導通所述第二開關來激活所述開關單元。更確切地說，與開關單元UC1、UC4 有關的第二開關Τ2、Τ3連接在所述開關單元的開關輸出端Si、S4和調(diào)制信號輸出端SM之間。激活開關單元的意思是將脈沖從所述開關單元的開關輸出端S1、S4傳送到調(diào)制信號輸出端SM。當圖2的逆變器的開關單元UC1、UC4處于與第一開關T1、T4的閉合對應的第一開關狀態(tài)時并且當通過導通第二開關Τ2、Τ3激活所述開關單元時，第一開關Tl、Τ4將在所述開關單元的輸入端Ρ、Ν上可用的功率傳送到調(diào)制信號輸出端SM。但是，此功率不僅經(jīng)由第一開關Τ1、Τ4而且經(jīng)由第二開關Τ2、Τ3傳送。這使得在第一開關狀態(tài)的整個過程期間保持這兩個元件中的電壓降，這引起隨之而來的功率損耗。美國專利US 6，838，925描述了與圖2所示的轉(zhuǎn)換器設備呈現(xiàn)相似的結(jié)構(gòu)的逆變器，其中第一開關具有比用在圖1和2所示的逆變器中的晶體管更好的開關性能的MOS場效應晶體管。但是，這類晶體管不適合于傳送包括在100和500kVA之間的功率。此外，這樣的設備的實施也引起由在DC電壓輸入端和調(diào)制信號輸出端之間的功率傳送期間第一和第二開關二者中的電壓降產(chǎn)生的功率損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過提供一種轉(zhuǎn)換器設備來提供一種對現(xiàn)有技術(shù)的逆變器的問題的解決方案，該轉(zhuǎn)換器設備使得能夠通過對基于在參考電壓線上和分別來自于兩個開關單元的符號相反的兩個DC電壓輸入端上的、可用的三個基本DC電壓而在調(diào)制信號輸出端上獲得的脈沖進行濾波來提供AC電壓和電流，每個開關單元包括開關輸出端，以提供脈沖，該脈沖的幅度在所述開關單元的第一開關狀態(tài)中所述開關單元的輸入端上的電壓和所述開關單元的第二開關狀態(tài)中所述參考電壓線上的電壓之間變化，每個開關單元包括連接在所述開關單元的輸入端和開關輸出端之間的第一開關，以通過閉合所述第一開關建立所述第一開關狀態(tài)，對于每個開關單元，所述設備包括與所述開關單元有關的第二開關，連接在所述開關單元和所述調(diào)制信號輸出端之間以通過閉合所述第二開關激活所述開關單元，所述轉(zhuǎn)換器設備的特征在于，對于每個開關單元，它包括連接在所述開關單元的輸入端和該調(diào)制信號輸出端之間的第三開關，所述第一開關被控制以使得在一個方向或另一個方向上從第一開關狀態(tài)切換到第二開關狀態(tài)，保持所述第三開關斷開，在所述第一開關狀態(tài)的持續(xù)時間的至少一部分期間控制所述第三開關閉合。每個開關單元優(yōu)選地進一步包括連接在該參考電壓線和所述開關單元的開關輸出端之間的二極管，以在第一開關斷開時建立第二開關狀態(tài)。可替換地，每個開關單元進一步包括連接在該參考電壓線和所述開關單元的開關輸出端之間的第四開關，以在第一開關斷開時建立第二開關狀態(tài)。有利地，每個開關單元的第四開關具有晶體管和與所述晶體管并聯(lián)連接的二極管，該二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。與每個開關單元有關的第二開關優(yōu)選地布置在所述開關單元的開關輸出端和該調(diào)制信號輸出端之間。第一、第二和第三開關優(yōu)選地包括晶體管。有利地，第一、第二和第三開關包括分別與所述開關的每一個晶體管并聯(lián)連接的二極管，這些二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。根據(jù)一個實施例，第一、第二和第三開關的晶體管是絕緣柵雙極型晶體管IGBT。根據(jù)一個實施例，第一開關的晶體管是碳化硅場效應晶體管，并且第二和第三開關包括分別與所述開關的每一個晶體管并聯(lián)連接的二極管，這些二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。根據(jù)一個實施例，每個開關單元的第一開關的晶體管是MOS場效應晶體管，與所述開關單元有關的第二開關包括與所述第二開關的晶體管并聯(lián)的幾個串聯(lián)連接的二極管，這些二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。根據(jù)一個實施例，該轉(zhuǎn)換器設備包括連接在參考電壓線和調(diào)制信號輸出端之間的第五開關。該第五開關優(yōu)選地包括串聯(lián)連接的兩個MOS場效應晶體管，它們的方向是在相反方向上傳導電流，對于所述兩個晶體管的每一個，所述第五開關包括與所述晶體管并聯(lián) 連接的二極管，該二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。對于每個開關單元，該轉(zhuǎn)換器設備優(yōu)選地包括-第一控制裝置，作用于所述開關單元的第一開關，以在一個方向或另一個方向上閉合或斷開所述第一開關以從第一開關狀態(tài)切換到第二開關狀態(tài)，保持該第三開關斷開，-第二控制裝置，作用于所述開關單元的第三開關以在從第二開關狀態(tài)切換到第一開關狀態(tài)之后閉合所述第三開關。本發(fā)明還涉及不間斷電源，包括施加AC輸入電壓的電源輸入端、連接到所述輸入端的整流器、連接在所述整流器的輸出端上的符號相反的兩個基本DC電壓線、連接到所述基本DC電壓線并且包括被設計為提供安全的電壓的輸出端的逆變器，所述電源的特征在于，所述逆變器是根據(jù)上文所述的設備并且從基本DC電壓提供安全的AC電壓。

通過下面對本發(fā)明的特定實施例的描述，其他優(yōu)點和特征將變得更明顯，這些特定實施例僅僅用于非限制性示例的目的給出并且表示在附圖中。圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換器設備。圖2表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的另一個轉(zhuǎn)換器設備。圖3表示根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器設備的第一實施例。圖4表示根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器設備的控制單元。圖5A到5F表示在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器設備的不同的點處的控制信號、電壓和電流的時間變化。圖6表示根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器設備的第二實施例。圖7表示根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器設備的第三模式實施例。圖8表示根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器設備的第四實施例。圖9表示根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器設備的第五實施例。圖10表示包括根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器設備的不間斷電源。
具體實施例方式參考圖3，用參考標號21表示的轉(zhuǎn)換器設備包括與圖2所示的逆變器相同的元件，并且以同樣的方式指代這些元件。對于開關單元UCl、UC4的每一個，轉(zhuǎn)換器設備21進一步包括連接在所述開關單元的輸入端P、N和調(diào)制信號輸出端SM之間的第三開關TX1、TX4。更確切地說，第三開關ΤΧ1、ΤΧ4直接連接在所述開關單元的輸入端P、N和調(diào)制信號輸出端 SM之間。第一、第二和第三開關每個具有晶體管。在下文中，為了更清楚，開關將能夠用和它們包括的晶體管一樣的方式來指代。在圖3所示的實施例中，第一、第二和第三開關的晶體管Tl、Τ2、Τ3、Τ4、TXU ΤΧ4 是絕緣柵雙極型晶體管IGBT。每個開關包括二極管D1、D2、D3、D4、DX1、DX4，與所述開關的晶體管Tl、T2、T3、T4、TX1、TX4并聯(lián)連接，并且其方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。在無功階段期間，即當AC電壓VS和AC電流IS具有相反的符號時，這些二極管D1、D2、D3、 D4、DX1、DX4使能轉(zhuǎn)換器設備的操作?？刂泼總€控制單元UC1、UC4的第一開關T1、T4以便在一個方向或另一個方向中從第一開關狀態(tài)切換到第二開關狀態(tài)，保持第三開關ΤΧ1、ΤΧ4斷開?？刂泼總€控制單元UC1、 UC4的第三開關ΤΧ1、ΤΧ4閉合以便在所述開關單元處于第一開關狀態(tài)的時間的至少一部分期間在輸入端P、N和調(diào)制信號輸出端SM之間傳送功率。用這種方法，通過第三開關ΤΧ1、 ΤΧ4的功率的傳送伴隨有僅僅在所述第三開關的端子處的電壓降。通過第三開關ΤΧ1、ΤΧ4 在第一開關狀態(tài)的持續(xù)時間的大部分期間執(zhí)行功率傳送，從而通過僅僅獲得一個開關而不是兩個開關中的電壓降來降低功率損耗。此外，晶體管ΤΧ1、ΤΧ4的開關動作在幾乎零電壓下執(zhí)行，因此這些晶體管的開關功率損耗非常低。因此，此特征使得晶體管ΤΧ1、ΤΧ4和/或這些晶體管的冷卻裝置的尺寸能夠變小。有利地，控制裝置被設計為在導通晶體管ΤΧ1、ΤΧ4之前導通晶體管Tl、Τ4。當晶體管ΤΧ1、ΤΧ4導通時，因此他們的端子處的電壓幾乎為零，大約幾伏。相同的理由應用于晶體管ΤΧ1、ΤΧ4的截止，其在晶體管Tl、Τ4的截止之前執(zhí)行。下面參考圖4描述用于控制第一、第二和第三開關Τ1、Τ2、Τ3、Τ4、ΤΧ1、ΤΧ4的控制單元的示例。根據(jù)脈寬調(diào)制信號F1、F2控制第一、第二和第三開關的晶體管。后者可以通過微控制器上實施的軟件獲得。脈寬調(diào)制信號F1、F2—般是高頻信號，例如高達大約100kHz。一般根據(jù)AC電壓VS確定脈寬調(diào)制信號F1、F2。圖4表示布置在脈寬調(diào)制信號F1、F2的輸入端和晶體管Tl、T2、T3、T4、TXU TX4的控制輸入端之間的處理模塊。施加于晶體管Tl、 T2、T3、T4、TX1、TX4的控制輸入端的控制信號是與脈寬調(diào)制信號Fl、F2相同方式的離散邏輯信號，即具有能夠等于零或一的幅度的信號。當施加在晶體管的控制輸入端上的控制信號的幅度等于零時，所述晶體管截止，并且當此幅度等于一時，所述晶體管導通。至于涉及的第一開關的晶體管T1、T4的控制，脈寬調(diào)制信號F1、F2分別通過邏輯析取模塊，即邏輯“或(OR) ”模塊分別施加于晶體管T1、T4的控制輸入端。當AC電壓VS分別為正負時，晶體管Τ1、Τ4的導通分別在開關輸出端S1、S4上提供電壓，其電壓幅度分別等于與開關單元UC1、UC4的第一開關狀態(tài)對應的正DC電壓+UA、負DC電壓-υΛ。以同樣的方式，當AC電壓VS分別為正負時，晶體管Tl、Τ4的截止分別使得二極管DH、DB導通，分別在開關輸出端S1、S4上提供電壓，其電壓幅度等于零，其對應于開關單元UC1、UC4的第二開關狀態(tài)。從而，分別施加于晶體管Tl、T4的導通和截止的演替使得能夠分別在開關輸出端Si、S4上獲得幅度基本上等于DC電壓U/2且分別具有正、負符號的可變寬度的脈沖。至于涉及的每個開關單元UC1、UC4的第二開關的晶體管T2、T3的控制，它被設計為根據(jù)導通所述晶體管的AC電壓VS的符號激活所述開關單元的開關動作。更確切地說，每個開關單元UC1、UC4的晶體管T2、T3使得在AC電壓VS具有與所述開關單元的輸入端P、 N上可用的電壓相同的符號時能夠?qū)⒚}沖從所述開關單元的開關輸出端S1、S4傳送到轉(zhuǎn)換器設備的調(diào)制信號輸出端SM。為此，控制單元包括分別連接在脈寬調(diào)制信號F1、F2的輸入端和晶體管T3、T2的控制輸入端之間的反相開關23和反相開關25。用這種方法，脈寬調(diào)制信號Fl、F2在分別被施加于晶體管Τ3、Τ2的控制輸入端之前被反相。因而，當AC電壓VS 分別為正、負時，脈寬調(diào)制信號F2、Fl分別等于零，因此分別來自于反相開關23、25的輸出端上的控制信號等于一。這導致當AC電壓VS為正時晶體管Τ2導通，以使得開關單元UCl 的開關輸出端Sl連接到調(diào)制信號輸出端SM。以同樣的方式，當AC電壓VS為負時，晶體管 Τ3導通，以使得開關單元UC4的開關輸出端S4連接到調(diào)制信號輸出端SM。通過這些反相器23、25，可以在調(diào)制信號輸出端SM上提供可變寬度的脈沖，該脈沖具有基本上等于DC電壓U/2的幅度并且具有與AC電壓VS的符號相同的符號。換句話說，當AC電壓VS的符號與所述開關單元的電壓輸入端上可用的電壓的符號相同時，這些反相開關23、25使得開關單元UC1、UC4的開關輸出端Si、S4能夠連接到調(diào)制信號輸出端SM。從而通過電感器L和電容器(未示出)對在調(diào)制信號輸出端SM上獲得的這些脈沖的連續(xù)的濾波使得能夠提供具有定義的形狀(例如正弦波)的AC電壓VS。至于涉及的每個開關單元UC1、UC4的第三開關的晶體管TX1、TX4的控制，它被設計為在從第一開關狀態(tài)到第二開關狀態(tài)的切換期間保持所述第三開關斷開，并且在所述第一開關狀態(tài)的持續(xù)時間的至少一部分期間閉合所述第三開關。為此，脈寬調(diào)制信號Fl、F2 分別通過邏輯乘模塊27、29，即邏輯“與(AND) ”模塊，施加于晶體管TX1、TX4的控制輸入端。關于晶體管TX1，邏輯乘模塊27的輸入端之一直接連接到脈寬調(diào)制信號Fl的輸入端，并且所述邏輯模塊的另一個輸入端通過延遲模塊31連接到脈寬調(diào)制信號Fl的輸入端，所述延遲模塊在所述信號的前沿期間激活。以同樣的方式，關于晶體管TX4，邏輯乘模塊四的輸入端之一直接連接到脈寬調(diào)制信號F2的輸入端，并且所述邏輯模塊的另一個輸入端通過延遲模塊33連接到脈寬調(diào)制信號F2的輸入端，所述延遲模塊33也在所述信號的前沿期間激活。用這種方法，當脈寬調(diào)制信號F1、F2分別從零切換到一時，第一開關的晶體管Tl、 T4分別導通，其分別對應于從開關單元UC1、UC4的第二開關狀態(tài)到第一開關狀態(tài)的開關動作。在此時間期間，第三開關的晶體管TX1、TX4分別通過延遲模塊31、33和邏輯乘模塊27、 29分別處于保持截止的第一階段。在與延遲模塊31、33的延遲對應的時間段之后，分別在邏輯乘模塊27、29的兩個輸入端上的信號的幅度等于一，并且第三開關的晶體管ΤΧ1、ΤΧ4 分別導通。第三開關的晶體管ΤΧ1、ΤΧ4的阻抗低于由與第二開關的晶體管Τ2、Τ3串聯(lián)的第一開關的晶體管Tl、Τ4形成的電路中的阻抗，因此DC電壓輸入端P、N和調(diào)制信號輸出端 SM之間的電流的大部分經(jīng)由第三開關的晶體管ΤΧ1、ΤΧ4流動。因此，在輸入端Ρ、Ν和調(diào)制信號輸出端SM之間的功率傳送在最小的電壓降的情況下發(fā)生。因而，第三開關的使用使得能夠顯著降低功率損耗。在圖4所示的實施例中，開關單元UC1、UC4的第一開關的晶體管T1、T4的控制分別通過連接在脈寬調(diào)制信號F1、F2的輸入端和用41、43表示的邏輯析取模塊的輸入端之一之間的單穩(wěn)態(tài)模塊35、37執(zhí)行，所述邏輯析取模塊的另一個輸入端直接連接到脈寬調(diào)制信號F1、F2的輸入端。單穩(wěn)態(tài)模塊35、37在脈沖寬度調(diào)制信號F1、F2的后沿期間激活，并且使得它的輸出端的狀態(tài)能夠在預定義的時間延遲之后改變。用這種方法，當脈寬調(diào)制信號 F1、F2分別從一切換到零時，第一開關的晶體管T1、T4在預定義的時間延遲之后分別截止，以使能分別從開關單元UCl、UC4的第一開關狀態(tài)切換到第二開關狀態(tài)的開關動作。在此時間期間，第三開關的晶體管TX1、TX4分別由于邏輯乘模塊27J9而截止。從而，通過第一開關的晶體管Tl、Τ4執(zhí)行在一個方向或另一個方向中的從第一開關狀態(tài)到第二開關狀態(tài)的切換，而同時保持第三開關的晶體管ΤΧ1、ΤΧ4斷開。用這種方法，第一開關Tl、Τ4專用于在一個方向或另一個方向上的切換，即從第一開關狀態(tài)變化到第二開關狀態(tài)，而第三開關 TXU ΤΧ4專用于在第一開關狀態(tài)的持續(xù)時間的大部分期間在DC電壓輸入端P、N和調(diào)制信號輸出端之間的功率傳送。參考圖5Α到5F，下面描述圖3所示且與圖4所示的控制單元有關的轉(zhuǎn)換器設備的操作。此操作的描述實質(zhì)上涉及開關單元UCl從第一開關狀態(tài)到第二開關狀態(tài)的切換和從第二開關狀態(tài)到第一開關狀態(tài)的切換，即當開關單元UCl被激活時。本領域技術(shù)人員可以容易地將開關單元UCl的操作的此描述移置到開關單元UC4的操作中。當開關單元UCl被激活時，脈寬調(diào)制信號F2的幅度等于零，并且與所述開關單元有關的第二開關的晶體管Τ2通過反相開關25導通。與開關單元UC4有關的第二開關的晶體管Τ3通過反相開關23截止，并且所述開關單元因此被禁止。只要脈寬調(diào)制信號Fl的幅度等于一，第一開關的晶體管Tl和第三開關的晶體管 TXl就導通(圖5Α、5Β和5C)。在開關單元UCl的開關輸出端Sl上的電壓的值基本上等于在所述開關單元的輸入端P上的電壓U/2的值，其對應于所述開關單元的第一開關狀態(tài)。在DC電壓輸入端P和調(diào)制信號輸出端SM之間，由于第三開關的晶體管TXl的阻抗低于第一和第二開關的兩個串聯(lián)連接的晶體管Τ1、Τ2的阻抗的事實，因此大部分電流流經(jīng)第三開關的晶體管ΤΧ1。這導致流入第三開關TXl的電流ITXl (圖5Ε)遠高于流入第一晶體管Tl的電流ITl (圖6Ε)。與晶體管(即，實質(zhì)上第三開關的晶體管TXl)中的電壓降有關的功率損耗與圖2所示的類型的設備相比降低了，在圖2中，DC電壓輸入端P和調(diào)制信號輸出端SM之間的全部電流流入晶體管Tl和Τ2 二者。在時間Tl，脈寬調(diào)制信號Fl的幅度從一變?yōu)榱?，并且由于邏輯乘模塊27的輸入端之一變?yōu)榱愕氖聦崳虼说谌_關的晶體管TXl截止(圖5Α和5Β)。第一開關的晶體管 Tl的截止通過單穩(wěn)態(tài)模塊35和析取模塊41而被延遲到時間t2 (圖5C)。這導致流入第三開關的晶體管TXl的電流ITXl (圖5E)減小，而流入第一開關的晶體管Tl的電流ITl (圖 5F)增大。在時間t2之前，DC電壓輸入端P和調(diào)制信號輸出端SM之間的幾乎所有電流流過晶體管Tl (圖5F)。在開關單元UCl的開關輸出端Sl上的電壓仍然基本上等于在所述開關單元的輸入端P上的電壓U/2，其對應于所述開關單元的第一開關狀態(tài)。從第一開關狀態(tài) 到第二開關狀態(tài)的切換將通過第一開關的晶體管Tl實現(xiàn)，而第三開關的晶體管TXl已被預先截止。應當注意，時間Tl和t2之間的時間段非常短，大于一微秒。此外，單穩(wěn)態(tài)模塊35、
137構(gòu)成用于保證在從第一開關狀態(tài)到第二開關狀態(tài)的切換期間第三開關TXl事實上斷開的簡單裝置。但是，在此簡單和說明性的實施例中，在從開關單元UC1、UC4的第一開關狀態(tài) 到第二開關狀態(tài)的切換和脈寬調(diào)制信號F1、F2的過零點之間存在交錯(stagger)。此交錯產(chǎn)生開關狀態(tài)和脈寬調(diào)制信號Fl、F2之間的失真。在沒有示出的其它實施例中，單穩(wěn)態(tài)模塊35、37可以被包括計數(shù)器、遞減計數(shù)器和比較器的裝置代替，該裝置使得能夠在脈寬調(diào) 制信號F1、F2的后沿之前在時間tl預期第一開關的晶體管T1、T4的截止，這使得第一開關的晶體管Τ1、Τ4的截止次序能夠與所述脈寬調(diào)制信號F1、F2同步。這樣的控制裝置可以由肩負防止第一開關的晶體管Tl、T4的截止次序和脈寬調(diào)制信號Fl、F2之間的失真的問題的本領域技術(shù)人員確定。這樣的控制單元的實施將導致脈寬調(diào)制信號F1、F2的幅度在時間 tl而不是在時間t2從一變?yōu)榱?，而不用修改圖5A到5F所示的時序圖的其余部分。在時間t2，第三開關的晶體管TXl截止，即第三開關斷開，并且從第一開關狀態(tài)到第二開關狀態(tài)的切換通過第一開關的晶體管Tl執(zhí)行(圖5C)。因此，第一開關的晶體管Tl 截止，并且消除了 DC電壓輸入端P和調(diào)制信號輸出端SM之間的電流(圖5F)。第一和第三開關的晶體管T1、TX1的端子處的電壓增大直到它達到基本上等于輸入端P上的DC電壓 U/2的值。與圖1所示的逆變器的晶體管Tl的端子處的電壓的值相比，第一和第二開關的晶體管Tl和TXl的端子處的電壓的值減小了，其將等于此第一值的兩倍，即等于兩個輸入端Ρ、Ν之間的電勢差。這導致與圖1所示的逆變器1的晶體管Tl的額定電壓相比，轉(zhuǎn)換器設備21的晶體管Tl、TXl的額定電壓減小了。在時間t3，而第三開關的晶體管TXl仍然截止，即第三開關斷開，脈寬調(diào)制信號Fl 的幅度從零變?yōu)橐?，并且晶體管Tl由于析取模塊41而導通(圖5A和5C)。在開關單元UCl 的開關輸出端Sl上的電壓的值從零變?yōu)榛旧系扔谠谒鲩_關單元的輸入端P上的電壓 U/2的值，其對應于所述開關單元的第一開關狀態(tài)。這導致電流ITl (圖5E)經(jīng)由第一開關的晶體管Tl在DC電壓輸入端P和調(diào)制信號輸出端SM之間流動。此電流ITl的流動引起第一和第二開關的兩個晶體管Tl和T2中的電壓降。同時，當脈寬調(diào)制信號Fl的幅度從零變?yōu)橐粫r，延遲模塊31被激活以延遲第三開關的晶體管TXl的導通。在與延遲模塊31產(chǎn)生的延遲已經(jīng)過去的時間對應的時間t4，第三開關的晶體管 TXl導通，即第三開關閉合。這導致大部分電流經(jīng)由第三開關的晶體管TXl在DC電壓輸入端P和調(diào)制信號輸出端SM之間流動，這是由于它的阻抗低于串聯(lián)連接的第一和第二開關的兩個晶體管的阻抗的事實。流入第三開關TXl的電流ITXl (圖5E)變得遠大于流入第一晶體管Tl的電流ITl (圖6E)，其對應于在前面描述的時間tl之前的情況。在下文中，描述根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器設備的可替換實施例。這些其它實施例的功能實質(zhì)上與上文描述的相同。在圖6所示的轉(zhuǎn)換器設備61中，第一開關的晶體管Tl、T4是MOS場效應晶體管，其比用在圖3所示的轉(zhuǎn)換器設備21的第一開關T1、T4中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT呈現(xiàn) 更好的開關性能。在無功階段期間，激活的開關單元UC1、UC4的第一、第二和第三開關的二極管導通。截止時第一開關Tl、T4的MOS場效應晶體管的二極管Dl、D4的較差的性能引起高的開關功率損耗。因此，消除在無功階段期間流入二極管D1、D4的電流是有益的。為此，在圖6所示的實施例中，三個二極管D2、D' 2、D〃 2、D3、D' 3、D〃 3已經(jīng)與每個開關單元UC1、UC4的第二開關的晶體管T2、T3并聯(lián)連接，并且方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。用這種方法，在無功階段期間，第二開關的二極管D2、D3中的電壓降大于第三開關的二極管DX1、DX4中的電壓降。這導致整個無功電流經(jīng)由第三開關的二極管DX1、DX4在調(diào) 制信號輸出端SM和DC電壓輸入端P、N中的一個或另一個之間流動。另一個優(yōu)點是，在無功階段期間，由于布線引起的寄生電感減小，其限制晶體管T2、T3截止時的瞬變電壓電涌。在無功階段期間，電流事實上流入二極管DX1、DX4。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圖2的轉(zhuǎn)換器設備中，當?shù)谝婚_關單元UCl被激活時，電流由兩個二極管Dl、D2而不是一個二極管傳導，并且當?shù)诙_關單元UC4被激活時，電流由D3、D4傳導。在圖7所示的轉(zhuǎn)換器設備71中，第一開關的晶體管Τ1、Τ4是由碳化硅制成的場效應晶體管。二極管DH、DB也由碳化硅制成。此外，與晶體管Tl、Τ4并聯(lián)連接的二極管D1、 D4已被去掉。在未示出的其它實施例中，由碳化硅制成的二極管D1、D4可以與晶體管Tl、 T4有關。與MOS場效應晶體管相比，由碳化硅制成的場效應晶體管的使用使得能夠提高開關速度、提高耐壓并且消除所述晶體管的固有寄生二極管。此外，在圖7的設置中的場效應晶體管的位置使得能夠使用常開類型的晶體管或常斷類型的晶體管。在圖8所示的轉(zhuǎn)換器設備81中，第一開關的晶體管T1、T4是絕緣柵雙極型晶體管 IGBT0此外，二極管DH和DB已被第四開關替代，所述第四開關中的每一個包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT Τ5、Τ6和與所述晶體管并聯(lián)連接的二極管D5、D6，二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。用和晶體管T2、T3 —樣的方法，晶體管Τ5、Τ6的額定電壓等于圖 3所示的轉(zhuǎn)換器設備21的晶體管Τ2、Τ3的額定電壓的一半。晶體管Tl、Τ4、Τ5、Τ6、ΤΧ1、ΤΧ4 —般以開關頻率進行開關動作并且根據(jù)與在轉(zhuǎn)換器設備21的情況下相同的原理工作。與轉(zhuǎn)換器設備21不同的是，晶體管Τ2、Τ3不再以開關頻率進行開關動作而是工作在轉(zhuǎn)換模式，即它們以輸出電壓VS的頻率進行開關動作，其一般等于50到60Hz。轉(zhuǎn)換器設備81的優(yōu)點之一是，由于標準功率模塊，因此它便于功率傾斜 (ramping)。包括每個開關單元UC1、UC4的第一開關Tl、T4和第四開關T5、T6的組件事實上基本上由傳統(tǒng)的半橋電源模塊形成。相同的是組件包括每個開關單元UCl、UC4的第二開關T2、T3和第三開關TXl、TX4的情況。因為每個開關單元UCl、UC4的第四開關T5、T6在電流上是雙向的，所以在任一方向上在DC電壓輸入端P、N和參考電壓線REF之間的切換基本上在電源模塊中執(zhí)行，對于有功階段和無功階段均為如此。從而減小了執(zhí)行開關動作的電路的尺寸，并且與寄生電感和強電流有關的電壓電涌的存在得到了較好的控制并且被限制在僅僅使用兩個開關，即第一開關Tl、T4和第四開關T5、T6的單個開關模塊中。圖8所示的轉(zhuǎn)換器設備81也使得不同的半導體元件(功率因子和輸出電壓VS可變)中的損耗的分布均勻，如在標準的不間斷電源中、在諸如可變頻率和/或電壓調(diào)節(jié)器的電動機應用中的情況一樣。在圖9所示的轉(zhuǎn)換器設備91中，第五開關TX2、TX3連接在參考電壓線REF和調(diào)制信號輸出端SM之間。此第五開關包括串聯(lián)連接的兩個MOS場效應晶體管ΤΧ2、ΤΧ3，它們的方向是在相反方向上傳導電流，對于所述兩個晶體管的每一個，所述第五開關包括與所述晶體管并聯(lián)連接的二極管DX2、DX3，這些二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。控制晶體管TX2、TX3以增強第二開關的晶體管Τ2、Τ3的開關動作。圖9所示的轉(zhuǎn)換器設備91使得在負載的功率因子非常不同的應用中，例如在無功功率補償器和在有源濾波器中，能夠降低開關損耗。到每個開關單元UC1、UC4的第二開關的晶體管T2、T3的閉合的切換在所述開關單元的第五開關的晶體管ΤΧ2、ΤΧ3的閉合之前。在每個開關單元UC1、UC4的第二開關的晶體管T2、T3斷開時，所述開關單元的第五開關的晶體管ΤΧ2、ΤΧ3在第二開關Τ2、Τ3的開關工作發(fā)生的時間期間保持閉合，然后斷開。從而，利用了在導通期間MOS場效應晶體管的開關性能和IGBT晶體管的小的電壓降的優(yōu)點。如上所述的轉(zhuǎn)換器設備可被用在如圖10所示的不間斷電源101中。此不間斷電源包括電源輸入端102，來自于第一三相電源系統(tǒng)的可變輸入電壓施加于該電源輸入端102 上。不間斷電源包括整流器103，所述整流器一方面連接到電源輸入端102，另一方面連接到兩個基本DC電壓輸出端線104或總線。不間斷電源包括與上文描述的轉(zhuǎn)換器設備之一對應的逆變器106，所述逆變器連接在輸出端線104和輸出端107之間，被設計為將安全的三相AC電壓提供給負載。DC電壓總線104也經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器110連接到電池109。從圖10可以看出，在第一三相電源系統(tǒng)的電源輸入端102和也是三相的第二電源系統(tǒng)的電源輸入端113之間的選擇可以通過靜態(tài)開關111和112做出。從而，可以由不間斷電源101經(jīng)由第一安全的電源系統(tǒng)向負載供電，并且如果需要的話切換到第二電源系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)換器設備，使得能夠通過對基于在參考電壓線(REF)上和分別來自于兩個開關單元(UC1、UC4)的符號相反的兩個DC電壓輸入端(P、N)上的、可用的三個基本DC電壓 (-U/2, UREF, U/2)在調(diào)制信號輸出端(SM)上獲得的脈沖進行濾波來提供AC電壓(VS)和電流(IS)，每個開關單元包括開關輸出端(S1、S4)，以提供脈沖，該脈沖的幅度在所述開關單元的第一開關狀態(tài)中所述開關單元的輸入端上的電壓和所述開關單元的第二開關狀態(tài)中所述參考電壓線上的電壓之間變化，每個開關單元包括連接在所述開關單元的輸入端和開關輸出端(Si、S4)之間的第一開關(Tl、T4)，以通過閉合所述第一開關建立所述第一開關狀態(tài)，對于每個開關單元，所述設備包括與所述開關單元有關的第二開關(T2、T3)，連接在所述開關單元和所述調(diào)制信號輸出端之間以通過閉合所述第二開關激活所述開關單元，其特征在于，對于每個開關單元，所述設備包括連接在所述開關單元的輸入端(P、N) 和該調(diào)制信號輸出端(SM)之間的第三開關(ΤΧ1、ΤΧ4)，所述第一開關被控制以使得在一個方向或另一個方向上從第一開關狀態(tài)切換到第二開關狀態(tài)，保持所述第三開關斷開，在所述第一開關狀態(tài)的持續(xù)時間的至少一部分期間控制所述第三開關閉合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，每個開關單元(UC1、UC4)進一步包括連接在該參考電壓線(REF)和所述開關單元的開關輸出端(Si、S4)之間的二極管(DH、DB)，以在第一開關(Τ1、Τ4)斷開時建立第二開關狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，每個開關單元(UC1、UC4)進一步包括連接在該參考電壓線(REF)和所述開關單元的開關輸出端(Si、S4)之間的第四開關(T5、T6)，以在第一開關(T1、T4)斷開時建立第二開關狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設備，其特征在于，每個開關單元的第四開關具有晶體管 (Τ5、Τ6)和與所述晶體管并聯(lián)連接的二極管(D5、D6)，該二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任何一個所述的設備，其特征在于，與每個開關單元(UC1、 UC4)有關的第二開關(Τ2、Τ3)被布置在所述開關單元的開關輸出端(Si、S4)和該調(diào)制信號輸出端(SM)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任何一個所述的設備，其特征在于，該第一、第二和第三開關包括晶體管(Τ1、Τ2、Τ3、Τ4、ΤΧ1、ΤΧ4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設備，其特征在于，該第一、第二和第三開關包括分別與所述開關的晶體管(Τ1、Τ2、Τ3、Τ4、ΤΧ1、ΤΧ4)的每一個并聯(lián)連接的二極管(Dl、D2、D3、D4、DX1、 DX4)，這些二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設備，其特征在于，該第一、第二和第三開關的晶體管(Tl、 Τ2、Τ3、Τ4、ΤΧ1、ΤΧ4)是絕緣柵雙極型晶體管IGBT。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設備，其特征在于，該第一開關的晶體管(Tl、Τ4)是碳化硅場效應晶體管，并且該第二和第三開關包括分別與所述開關的晶體管(Τ2、Τ3、ΤΧ1、ΤΧ4)的每一個并聯(lián)連接的二極管(D2、D3、DXU DX4)，這些二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設備，其特征在于，每個開關單元(UC1、UC4)的第一開關的晶體管(T1、T4)是MOS場效應晶體管，與所述開關單元(UC1、UC4)有關的第二開關包括與所述第二開關(Τ2、Τ;3)的晶體管并聯(lián)的幾個串聯(lián)連接的二極管，這些二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設備，其特征在于，它包括連接在該參考電壓線(REF)和調(diào) 制信號輸出端(SM)之間的第五開關。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設備，其特征在于，該第五開關包括串聯(lián)連接的兩個MOS場效應晶體管(ΤΧ2、ΤΧ3)，它們的方向是在相反方向上傳導電流，對于所述兩個晶體管的每一個，所述第五開關包括與所述晶體管并聯(lián)連接的二極管(DX2、DX3)，這些二極管的方向是在所述晶體管被反向偏置時導通。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到12中的任何一個所述的設備，其特征在于，對于每個開關單元 (UC1、UC4)，它包括-第一控制裝置(35、41、37、43)，作用于所述開關單元的第一開關(Tl、T4)，以閉合或斷開所述第一開關以在一個方向或另一個方向上從第一開關狀態(tài)切換到第二開關狀態(tài)，同時保持該第三開關斷開，-第二控制裝置07、31、29、33)，作用于所述開關單元的第三開關(TX1、TX4)，以在從第二開關狀態(tài)切換到第一開關狀態(tài)之后閉合所述第三開關。
14.一種不間斷電源(101)，包括其上施加AC輸入電壓的電源輸入端(102)、連接到所述輸入端的整流器(103)、連接在所述整流器的輸出端上的符號相反的兩個基本DC電壓線、連接到所述基本DC電壓線并且包括被設計為提供安全的電壓的輸出端(107)的逆變器 (106)，其特征在于，所述逆變器是根據(jù)前述權(quán)利要求中的一個所述的轉(zhuǎn)換器設備并且從基本DC電壓提供安全的AC電壓。
全文摘要
用于在調(diào)制信號輸出端(SM)上提供AC電壓的轉(zhuǎn)換器(21)包括兩個開關單元(UC1、UC4)，每個具有DC電壓輸入端(P、N)和開關輸出端(S1、S4)，以提供脈沖，該脈沖在第一開關狀態(tài)中輸入端上的電壓和第二開關狀態(tài)中參考電壓之間變化，每個開關單元包括連接在該輸入端和開關輸出端之間的第一開關(T1、T4)，以建立所述第一開關狀態(tài)，對于每個開關單元，所述設備包括連接在所述開關單元和所述調(diào)制信號輸出端之間以激活所述開關單元的第二開關(T2、T3)，和連接在所述開關單元的輸入端和該調(diào)制信號輸出端之間的第三開關(TX1、TX4)。一種具有此轉(zhuǎn)換器的不間斷電源(101)。
文檔編號H02M7/537GK102148583SQ20111003241
公開日2011年8月10日申請日期2011年1月30日優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
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