專利名稱：轉(zhuǎn)換裝置以及配有這種裝置的不間斷電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)換器的領(lǐng)域，諸如逆變器，例如，用在不間斷電源中，尤其用在大功 率不間斷電源，即功率一般包含在大約IOOkVA (千伏安)到500kVA之間的不間斷電源中的那些。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及設(shè)計(jì)成在輸出線上供應(yīng)大致直流輸出電壓的單向轉(zhuǎn)換裝 置，所述裝置配有至少一個(gè)開(kāi)關(guān)單元，包括-施加一般可變輸入電壓的電源輸入端；-與所述電源輸入端連接以便供應(yīng)輸出電壓的整流部件；-與所述電源輸入端連接的開(kāi)關(guān)部件，以獲得輸入電流的主接通或主截止，使得當(dāng) 發(fā)生主截止時(shí)，將所述輸入電流轉(zhuǎn)向所述整流部件；-所述開(kāi)關(guān)部件的控制部件；以及-安排在電源輸入端與輸出線之間的開(kāi)關(guān)輔助電路，以在主接通之前，建立大致等 于零的開(kāi)關(guān)電壓，所述開(kāi)關(guān)輔助電路包含電感部件；輸入電流分支部件；和并聯(lián)在開(kāi)關(guān)部 件上的儲(chǔ)能部件，以在主接通之前，建立起電感部件中的所述電流的諧振。
背景技術(shù)：
通常，改進(jìn)不間斷電源是為了提高它們的效率以及降低往往較低的大約幾千赫茲 的開(kāi)關(guān)頻率引起的噪聲干擾。在這種背景下，已經(jīng)證明，人們感興趣的是使用呈現(xiàn)幾個(gè)電平 (通常三個(gè)電平)的布局、使用具有增強(qiáng)的性能的組件以便改進(jìn)對(duì)上述問(wèn)題的解決方案的 不間斷電源。參考圖1，一種這樣的不間斷電源11包含干線系統(tǒng)輸入端12，其上連接了電力網(wǎng) 供電、并且其使可變輸入電壓，最常見(jiàn)的是AC(交流)電壓，能夠施加到所述不間斷電源11 上。不間斷電源還包含干線系統(tǒng)輸出端13，其上連接了負(fù)載、并且其提供稱為備用電源的 電源，即電壓和頻率受控的電源。不間斷電源11包含與干線系統(tǒng)輸入端12連接的整流器 或AC/DC轉(zhuǎn)換器15 ；大致DC電壓線16、17 ；和與整流器的輸出端連接的電壓基準(zhǔn)18。不間 斷電源11還包括包含儲(chǔ)能部件20的DC/DC轉(zhuǎn)換器19，所述轉(zhuǎn)換器和所述儲(chǔ)能部件連接在 大致DC電壓線16、17上。不間斷電源11進(jìn)一步包含連接在電壓基準(zhǔn)18與大致DC電壓線 16、17之間的解耦電容器21、22 ；和連接在所述線16、17與干線系統(tǒng)輸出端13之間的可逆 逆變器或DC/AC轉(zhuǎn)換器23。表示在圖2中的不間斷電源11的整流器15包含六個(gè)開(kāi)關(guān)電路31 36。更準(zhǔn)確 地說(shuō)，整流器15對(duì)于三相的每個(gè)相都包含兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路，一個(gè)專用于正半波，另一個(gè)專用 于負(fù)半波。整流器15還是單向型的，S卩，它是不可逆的，只能進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)這 種AC/DC轉(zhuǎn)換，整流器15包含晶體管41 46和二極管51 56。從圖1和圖2中可以看出，不間斷電源11呈現(xiàn)三個(gè)電平的布局，即，整流器15在 三個(gè)電平，即，線16上的正電平、線17上的負(fù)電平和電壓基準(zhǔn)18上的零電平上供應(yīng)大致DC 電壓。正負(fù)電平一般呈現(xiàn)絕對(duì)值大致等于線16和17之間的電壓VDC的一半的相等電位。
當(dāng)使用表示在圖1中的不間斷電源11，尤其在其AC/DC轉(zhuǎn)換功能中的整流裝置15 時(shí)，晶體管41 46的開(kāi)關(guān)速度以及流入其中的大電流造成極大的結(jié)構(gòu)約束。而且，這些有 源電子組件中的開(kāi)關(guān)損耗也限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高。彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)的一種解決方案是在每個(gè)開(kāi)關(guān)電路中使用開(kāi)關(guān)輔助電路，以便實(shí)現(xiàn) 軟開(kāi)關(guān)，即減小開(kāi)關(guān)損耗和控制電流變化。這樣的開(kāi)關(guān)輔助電路用在部分表示在圖3中的 整流裝置111中。在表示在圖3中的裝置中，只表示出與三相之一相聯(lián)系的兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路。 應(yīng)該注意到，電路整流器111是不可逆的，因此只能用于進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換。更準(zhǔn)確地說(shuō)，參考圖3，整流裝置111包含輸送AC電壓的電壓源112、能夠在輸出 線115上供應(yīng)具有正值的大致恒定電壓的第一開(kāi)關(guān)電路113、和能夠在輸出線117上供應(yīng)具 有負(fù)值的大致恒定電壓的第二開(kāi)關(guān)電路116。包含二極管DP的整流裝置111的第一分支將 輸入電壓的正半波供應(yīng)給第一開(kāi)關(guān)電路113。同樣，包含二極管DN的整流裝置111的第二 分支將輸入電壓的負(fù)半波供應(yīng)給第二開(kāi)關(guān)電路116。在電壓源與上述兩個(gè)分支之間，電感 118在開(kāi)關(guān)周期的尺度上進(jìn)行阻抗匹配。每個(gè)開(kāi)關(guān)電路113、116包含輸入輸入電流IE的電 源輸入端121、122。與其各自電源輸入端121、122連接的整流部件，在這種情況下，二極管 D1、D4供應(yīng)相繼從截止?fàn)顟B(tài)切換到接通狀態(tài)的輸出電壓VS。每個(gè)開(kāi)關(guān)電路113、116包含與 其各自電源輸入端121、122連接、并能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)改變(即輸入電流的主接通或主截止) 的開(kāi)關(guān)部件，即主晶體管T2、T3。當(dāng)發(fā)生主接通時(shí)，輸入電流IE流入主晶體管中。當(dāng)發(fā)生 主截止時(shí)，輸入電流IE轉(zhuǎn)向整流部件。二極管DP、整流部件Dl和開(kāi)關(guān)部件T2形成常稱為 升壓布局的布局。二極管DN、整流部件D4和開(kāi)關(guān)部件T3的情況亦如此。因此，表示在圖3 中的布局常稱為雙升壓。但是，本發(fā)明也可以應(yīng)用于常稱為降壓結(jié)構(gòu)的布局。從圖3中可以看出，該整流裝置配有開(kāi)關(guān)輔助電路131、132，電路131被安排在電 源輸入端121與輸出線115之間，電路132這部分被安排在電源輸入端122與輸出線117之 間。這些開(kāi)關(guān)輔助電路的主要功能是當(dāng)發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)，通過(guò)限制，或甚至消除所述晶體管 T2和T3中的電流或電壓減小功率晶體管T2和T3中的開(kāi)關(guān)損耗。尤其，這些開(kāi)關(guān)輔助電 路能夠零電壓地實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)部件T2和T3的主接通。這種冠以零電壓開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)模式常?？s 寫(xiě)成“ZVS”。開(kāi)關(guān)輔助電路131、132包含分別標(biāo)為133、134并分別與電源輸入端121、122 連接的電感部件。在現(xiàn)有技術(shù)中，電感部件一般包含常常直接與電源輸入端連接的至少一 個(gè)電感。開(kāi)關(guān)輔助電路131、132還包含分別標(biāo)為135、136并與所述電感部件連接的輸入電 流IE的分支部件，以在主接通之前，建立起所述電感部件中的輸入電流的分支。開(kāi)關(guān)輔助 電路131、132進(jìn)一步包含分別標(biāo)為137、138和并聯(lián)在開(kāi)關(guān)部件上的儲(chǔ)能部件，以在主接通 之前，建立起電感部件中的輸入電流IE的諧振。更準(zhǔn)確地說(shuō)，這些儲(chǔ)能部件137包含與二 極管Dl并聯(lián)的電容器CR1、和與晶體管T2并聯(lián)的電容器CR2。同樣，儲(chǔ)能部件138包含與 二極管D4并聯(lián)的電容器CR4、和與晶體管T3并聯(lián)的電容器CR3。表示在圖3中的整流裝置按如下方式工作。在接通開(kāi)關(guān)部件T2、T3之前，輸入電 流IE經(jīng)由分支部件135、136繞道。流入電感部件133、134中的電流強(qiáng)度IRP、IRN在流入 整流部件D1、D4中的電流減小的同時(shí)增大。當(dāng)電感部件133、134中的電流強(qiáng)度IRP、IRN達(dá) 到輸入電流IE的值時(shí)，整流部件Dl、D4截止。然后，在電感部件133、134與儲(chǔ)能部件137、 138之間進(jìn)入電流諧振階段。這個(gè)電流諧振階段能夠消除開(kāi)關(guān)部件T2、T3的端子上的電壓 V2、V3。然后，可以利用大致等于零的開(kāi)關(guān)電壓接通這些開(kāi)關(guān)部件T2、T3。在整個(gè)這個(gè)階段中，在電感部件中產(chǎn)生磁化，即，磁場(chǎng)的值增大了?，F(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換裝置的開(kāi)關(guān)輔助電路在開(kāi)關(guān)部件的主截止之前一般不能實(shí)現(xiàn)電 感部件的完全退磁。另外，它們包含消耗能量的額定值和數(shù)量未得到優(yōu)化的電功率部件，尤 其晶體管。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)提出設(shè)計(jì)成在輸出線上供應(yīng)大致DC輸出電壓的單向轉(zhuǎn)換裝 置，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換裝置的缺點(diǎn)，所述裝置配有至少一個(gè)開(kāi)關(guān)單元，包括-施加輸入電壓的電源輸入端；-與所述電源輸入端連接以便供應(yīng)輸出電壓的整流部件；-直接與所述電源輸入端連接以便實(shí)現(xiàn)輸入電流的主接通或主截止，使得當(dāng)發(fā)生 主截止時(shí)，將所述輸入電流轉(zhuǎn)向所述整流部件的開(kāi)關(guān)部件；-所述開(kāi)關(guān)部件的控制部件；以及-安排在電源輸入端與輸出線之間的開(kāi)關(guān)輔助電路，以在主接通之前，建立大致等 于零的開(kāi)關(guān)電壓，所述開(kāi)關(guān)輔助電路包含電感部件；在主接通之前建立起到所述電感部件 上的輸入電流的分支的輸入電流分支部件；和并聯(lián)在開(kāi)關(guān)部件上的儲(chǔ)能部件，以在主接通 之前，建立起電感部件中的所述電流的諧振。按照本發(fā)明的轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，所述電感部件基本上由直接與電源輸入端連 接和包含反繞繞組的變壓器形成，以及所述分支裝置包含直接連接在所述電感部件與電壓 基準(zhǔn)之間或所述電感部件與輸出線之間的輔助開(kāi)關(guān)部件。所述變壓器最好包含-連接在電源輸入端與分支部件之間的第一繞組；以及-與所述第一繞組磁耦合和連接在所述電源輸入端與輸出線之間或所述電源輸入 端與電壓基準(zhǔn)之間的第二繞組。所述變壓器最好呈現(xiàn)小于一的變壓比。有利的是，第一反向阻斷二極管連接在第一繞組與輸出線之間或第一繞組與電壓 基準(zhǔn)之間。最好，第二反向阻斷二極管連接在第二繞組與輸出線之間或第二繞組與電壓基 準(zhǔn)之間。有利的是，所述輔助開(kāi)關(guān)部件基本上由直接連接在第一繞組與電壓基準(zhǔn)之間或第 一繞組與輸出線之間的輔助晶體管形成，在主截止時(shí)和在發(fā)生所述輔助晶體管接通的時(shí) 刻，所述輔助晶體管在變壓器繞組上供應(yīng)其值是所述輸出電壓的函數(shù)的電壓。按照一個(gè)實(shí)施例，所述控制部件包含設(shè)計(jì)成在比預(yù)定時(shí)段長(zhǎng)的時(shí)段之后強(qiáng)迫延遲 主接通的延時(shí)模塊。所述控制部件最好應(yīng)用于所述輔助開(kāi)關(guān)部件，并且包含設(shè)計(jì)成在比預(yù) 定時(shí)段長(zhǎng)的時(shí)段期間觸發(fā)電流分支的模塊。所述整流裝置最好包括包含電流輸入端的二極管，所述輸入端與電源輸入端連 接。有利的是，所述儲(chǔ)能部件包含與整流部件并聯(lián)的第一電容器、和與開(kāi)關(guān)部件并聯(lián) 的第二電容器。本發(fā)明還涉及不間斷電源，包括施加可變輸入電壓的電源輸入端、與所述輸入端連接的整流器、連接在所述整流器的輸出端上的至少一條大致DC電壓線、與所述電壓線連 接并包含設(shè)計(jì)成供應(yīng)可變輸出電壓的輸出端的逆變器，其特征在于，所述整流器是按照上 述權(quán)利要求之一的轉(zhuǎn)換裝置，并且在所述線上供應(yīng)大致DC輸出電壓。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征可以從只為非限制性示范目的給出的、和表示在附圖中 的本發(fā)明的特定實(shí)施例的如下描述中更清楚地看出。圖1表示按照現(xiàn)有技術(shù)的不間斷電源；圖2表示表示在圖1中的不間斷電源的整流器；圖3表示按照現(xiàn)有技術(shù)的帶有開(kāi)關(guān)輔助電路的整流裝置；圖4部分地表示按照本發(fā)明第一實(shí)施例的轉(zhuǎn)換裝置；圖5示意性地表示轉(zhuǎn)換裝置的控制部件；圖6A 圖6M是例示表示在圖4中的轉(zhuǎn)換裝置在半波的主要部分期間的操作的時(shí) 序圖；圖7A 圖7K是例示表示在圖4中的轉(zhuǎn)換裝置在半波的開(kāi)頭和末尾上的操作的時(shí) 序圖；圖8部分地表示按照本發(fā)明第二實(shí)施例的降壓裝置；以及圖9表示按照本發(fā)明的不間斷電源。
具體實(shí)施例方式部分地表示在圖4中的轉(zhuǎn)換裝置211是包含上文已經(jīng)描述過(guò)的和用相同標(biāo)號(hào)指示 的元件的整流裝置。就圖3而言，只表示出了與三相之一相聯(lián)系的兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路。轉(zhuǎn)換裝 置211包含輸送AC電壓VE和輸入電流IE的電壓源112。與表示在圖3中的情況一樣，第 一開(kāi)關(guān)電路213在輸出線115上供應(yīng)具有正值的大致恒定電壓。同樣，第二開(kāi)關(guān)電路216在 輸出線117上供應(yīng)具有負(fù)值的大致恒定電壓。就圖3而言，這些開(kāi)關(guān)電路是升壓型的。每個(gè) 開(kāi)關(guān)電路213、216包含施加輸入電壓VE和輸入輸入電流IE的電源輸入端121、122。輸入 電壓VE是可變的，一般是AC，并常常是正弦的。二極管DP、整流部件Dl和開(kāi)關(guān)部件T2形 成升壓型的第一結(jié)構(gòu)。形成升壓型的第二結(jié)構(gòu)的二極管DN、整流部件D4和開(kāi)關(guān)部件T3的 情況亦如此。開(kāi)關(guān)部件的每個(gè)主晶體管T2、T3 —般包含并聯(lián)的和相對(duì)于晶體管中的電流流 動(dòng)的方向沿著相反方向定向的二極管D2、D3。轉(zhuǎn)換電路211配有開(kāi)關(guān)輔助電路231、232，電 路231被安排在電源輸入端121與輸出線115之間，電路232被安排在電源輸入端122與 輸出線117之間。在表示在圖4中的實(shí)施例中，標(biāo)為DP和DN的組件是二極管。在其它實(shí)施例中，這 些組件可以是晶閘管。參考圖4，每個(gè)開(kāi)關(guān)輔助電路231、232包含基本上由變壓器TP、TN形成的電感部 件。每個(gè)變壓器TP、TN直接與所考慮的開(kāi)關(guān)電路的電源輸入端121、122連接。換句話說(shuō)， 變壓器的兩個(gè)繞組直接與電源輸入端連接。由于每個(gè)開(kāi)關(guān)輔助電路的電感部件基本上由變 壓器形成，以及后者直接與電源輸入端121、122連接，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)換裝置211及其開(kāi)關(guān)輔助電 路231的布局。
表示在圖4中的每個(gè)開(kāi)關(guān)輔助電路231、232還包括包含輔助開(kāi)關(guān)部件(即，輔助 晶體管TX2、TX;3)的輸入電流IE的分支部件。每個(gè)輔助晶體管與變壓器TP、TN連接，以便 在主接通之前，建立起所述變壓器中的輸入電流IE的分支。更準(zhǔn)確地說(shuō)，每個(gè)輔助晶體管 TX2、TX3直接連接在變壓器ΤΡ、ΤΝ與電壓基準(zhǔn)之間。所述直接連接指的是輔助晶體管與電 壓基準(zhǔn)之間，和這同一個(gè)輔助晶體管與變壓器之間的連接部件基本上由電導(dǎo)體和/或這些 導(dǎo)體的等效電阻形成。表示在圖4中的每個(gè)開(kāi)關(guān)輔助電路231、232進(jìn)一步包含并聯(lián)在開(kāi)關(guān)部件，S卩，每個(gè) 晶體管Τ2、Τ3上，和并聯(lián)在整流部件，即，二極管Dl、D4上的儲(chǔ)能部件137、138。更準(zhǔn)確地 說(shuō)，儲(chǔ)能部件137包含與二極管Dl并聯(lián)的電容器CRl、和與晶體管Τ2并聯(lián)的電容器CR2。同 樣，儲(chǔ)能部件138包含與二極管D4并聯(lián)的電容器CR4、和與主晶體管Τ3并聯(lián)的電容器CR3。 除了別的之外，這些儲(chǔ)能部件能夠在主接通之前，在變壓器TP中建立電流諧振。如圖4所示，每個(gè)開(kāi)關(guān)電路231、232的變壓器TP、TN包含連接在電源輸入端121、 121與輔助開(kāi)關(guān)部件TX2、TX3之間的第一繞組251、252。這個(gè)變壓器TP、TN還包含第二繞 組253、254，第二繞組253、2M與第一繞組251、252磁耦合并連接在這同一個(gè)電源輸入端 121、122與輸出線115、117之間，更準(zhǔn)確地說(shuō)，電源輸入端121、122與二極管DA1、DA4之間。 而且，第二繞組253、2M相對(duì)于第一繞組251、252是反繞的。變壓器TP、TN的這種配置使得當(dāng)接通輔助晶體管TX2、TX3時(shí)，能夠?qū)⒏嗟碾娏?轉(zhuǎn)向變壓器TP、TN的每個(gè)繞組。由于繞組的反繞和所述繞組的相鄰端與電源輸入端的連 接，輸入電流IE事實(shí)上被轉(zhuǎn)成由每個(gè)繞組分享。從而通過(guò)互感將輸入電流IRP、IRN放大。 這樣就能夠減小輔助晶體管TX1、TX2的額定電流。在截止二極管D1、D4之后，主晶體管Τ2、 T3的端子上的電壓V2、V3減小到大致等于零的值，并且接通相應(yīng)二極管D2、D3，從而能夠在 零電壓下接通所述主晶體管。一旦接通了主晶體管T2、T3，變壓器ΤΡ、ΤΝ的這種配置進(jìn)一步使所述變壓器退磁， 即，不再有任何電流流入變壓器繞組中。這樣就防止了將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換裝置被毀的電力堆積在 變壓器中。這種退磁可以通過(guò)二極管DX1、DX4來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)輔助晶體管TX2、TX3截止時(shí)，并且 當(dāng)所述二極管接通時(shí)，二極管DXl、DX4能夠反向地將輸出電壓VS施加在繞組251、252上。變壓器TP、TN 一般在每個(gè)繞組上都呈現(xiàn)一般不能被忽略的磁漏。因此，可以定義 磁漏引起的等效電感，并且將這個(gè)電感與等效諧振電感聯(lián)系在一起。這個(gè)諧振電感決定變 壓器繞組中的電流上升的斜率。有利的是，變壓器TP、TN包含將繞組分開(kāi)的電絕緣材料。 除了別的之外，選擇這種絕緣材料的厚度能夠調(diào)整變壓器的漏電感，因此電流上升的斜率。從圖4中可以看出，第一二極管DX1、DX2連接在第一繞組251、252與輸出線115、 117之間。當(dāng)輔助晶體管TX2、TX3截止時(shí)，這個(gè)二極管使電流能夠只沿著一個(gè)方向流入第 一繞組251、252中。這個(gè)二極管還限制了輔助晶體管TX2、TX3的端子上的電壓。第二二極 管DA1、DA4連接在第二繞組253、2Μ與輸出線115、117之間。這個(gè)二極管使電流能夠只沿 著一個(gè)方向流入這個(gè)第二繞組中。這些二極管DA1、DA4的存在防止了轉(zhuǎn)換器211的開(kāi)關(guān)輔 助電路的任何可逆操作，并且能夠使變壓器TP、TN退磁。這種單向操作由于限制了開(kāi)關(guān)電 路231、232的操作時(shí)間，因此限制了所述電路中的損耗而令人感興趣。開(kāi)關(guān)部件的主晶體管T2、T3可以用在雙晶閘管模式中，即以自然的方式發(fā)生接 通。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)開(kāi)關(guān)部件的開(kāi)關(guān)電壓V2、V3變成大致等于零和二極管D2、D3接通時(shí)，以自然的方式發(fā)生主接通。但是，在電源輸入端121、122上的輸入電流IE的強(qiáng)度太小，即電 壓VE的幅度小于其最大值的大約10%——一般對(duì)應(yīng)于所述電壓VE的半波的開(kāi)頭或末尾 的情況下，輸出電壓沒(méi)有時(shí)間到達(dá)線電壓VS的目標(biāo)值，并且主晶體管的自然接通是不可能 的。在這種情況下，儲(chǔ)能部件的電容器事實(shí)上沒(méi)有時(shí)間充電，難以實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電感部件的電流 諧振。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，表示在圖5中的控制部件301包含設(shè)計(jì)成在比預(yù)定時(shí)段TMAX 長(zhǎng)的時(shí)段之后強(qiáng)迫延遲主接通的延遲模塊315。這種強(qiáng)迫操作模式主要在電壓VE的半波的 開(kāi)頭或末尾上，當(dāng)輸入電流IE的值不足以對(duì)儲(chǔ)能部件的電容器充電的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)。在圖5中 只為開(kāi)關(guān)單元213表示出了控制部件301?？梢允褂糜糜陂_(kāi)關(guān)單元216、和其它相的開(kāi)關(guān)單 元的等效部件，但都未表示出來(lái)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，如圖5所示，控制部件301包含生成第一脈寬調(diào)制(PWM)控制信號(hào) 302的基準(zhǔn)模塊311。這個(gè)第一控制信號(hào)從輸出電壓VS、輸入電壓VE、和輸入電流IE的測(cè) 量值中確定。模塊316在時(shí)段TMAX'期間進(jìn)行輔助晶體管TX2的接通。這個(gè)時(shí)段從第一控 制信號(hào)302的前沿開(kāi)始。因此，在正常操作下和在這個(gè)時(shí)段TMAX'期間，可以接通輔助晶體 管TX2，這樣就能夠消除電壓V2，以便進(jìn)行主晶體管T2的接通。為此，控制部件包含檢測(cè)主 晶體管T2的端子上的電壓V2的過(guò)零的比較器312。這個(gè)比較器的輸出端與標(biāo)為313的第 一邏輯布爾AND (與)運(yùn)算器的輸入端連接。這個(gè)運(yùn)算器的另一個(gè)輸入端與攜帶第一脈寬 調(diào)制控制信號(hào)302的模塊311的輸出端連接。從而，電壓V2的過(guò)零和有效脈寬調(diào)制信號(hào)的 同時(shí)存在激活這個(gè)布爾運(yùn)算器313的輸出端。這個(gè)運(yùn)算器313的輸出端與標(biāo)為314的第二 布爾OR(或)運(yùn)算器連接，第二布爾OR運(yùn)算器314的輸出端與主晶體管T2的控制輸入端 連接。因此，在正常操作下，當(dāng)激活A(yù)ND運(yùn)算器313的輸出端時(shí)，運(yùn)算器314的輸出端也被 激活，這樣就能夠在電壓V2過(guò)零的時(shí)刻命令主晶體管T2接通。在強(qiáng)迫操作下，即在輸入電壓VE的半波的開(kāi)頭或末尾上，輸入電流IE的值不足以 消除主晶體管T2的端子上的電壓V2。因此，AND運(yùn)算器313的輸出端保持失效。因此，為 了以強(qiáng)迫的方式接通主晶體管T2，使用上述延遲模塊315。使攜帶第一控制信號(hào)302的模 塊311的輸出端與這個(gè)模塊315的輸入端連接，這個(gè)模塊315本身的輸出端與邏輯OR運(yùn)算 器314的輸入端連接。因此，在強(qiáng)迫操作下，在預(yù)定時(shí)間TMAX結(jié)束時(shí)自動(dòng)接通晶體管T2。作出用在調(diào)制模塊311中的占空比的選擇一般要考慮到變壓器TP、TN的退磁時(shí) 間——一般是大約接通時(shí)間的一半。這樣就防止了這些變壓器的飽和。參考圖6A 圖6M的時(shí)序圖，下文在轉(zhuǎn)換裝置的電源輸入端上的輸入電流IE的強(qiáng) 度足以實(shí)現(xiàn)主晶體管的自然接通的情況下對(duì)圖4的轉(zhuǎn)換裝置的開(kāi)關(guān)電路213的操作加以描 述。換句話說(shuō)，下文所述的操作一定程度上排除了電壓VE的半波的開(kāi)頭和末尾。一開(kāi)始，主晶體管T2處在接通或?qū)щ姞顟B(tài)下——在圖6A中用存在粗線來(lái)指示。輔 助晶體管TX2本身處在截止?fàn)顟B(tài)下——在圖6B中用不存在粗線來(lái)指示。從圖6F中可以看 出，二極管Dl是截止的。晶體管T2看到表示在圖6E中的電流IT2流動(dòng)——大致等于輸入 電流IE。因此，表示在圖6D中的晶體管T2的端子上的電壓V2大致等于零。二極管DAl未 看到如圖6G所示的任何電流流動(dòng)，并處在截止?fàn)顟B(tài)下。因此，表示在圖6H中的在其端子上 的電壓VDAl大致等于輸出線115上的輸出電壓VS的值。在時(shí)間tl，晶體管T2截止(圖6A)，并且輸入電流IE被分支到儲(chǔ)能部件137——使所述晶體管的損耗減小。從圖6D中可以看出，主晶體管T2的端子上的電壓V2開(kāi)始逐步 增大，對(duì)并聯(lián)電容器CR2充電。二極管DAl仍然處在截止?fàn)顟B(tài)下，并且這些端子上的電壓 VDAl開(kāi)始減小(圖6H)，直到它到達(dá)零值。同時(shí)，從圖6K中可以看出，輔助晶體管TX2的端 子上的電壓VTX2增大，直到它到達(dá)輸出電壓VS的值。在時(shí)間t2，主晶體管T2的端子上的電壓V2到達(dá)輸出電壓VS的值(圖6D)，并且二 極管Dl開(kāi)始讓表示在圖6F中的電流IDl流過(guò)，電流IDl的值大致等于輸入電流IE的值。在時(shí)間t3，輔助晶體管TX2被接通(圖6B)，這將導(dǎo)致二極管Dl中的電流IDl減 小(圖6F)——被分支到已經(jīng)接通的所述輔助晶體管TX2中。因此，從圖6J中可以看出， 輔助晶體管TX2看到逐步增大的電流ITX2。因此，表示在圖6C中的輸入到變壓器TP中的 電流IRP在電流IDl減小的同時(shí)增大。在二極管DAl的接通之后，這個(gè)電流IRP由變壓器 TP的第一繞組251中的電流ITX2(圖6J)與這同一個(gè)變壓器TP的第二繞組253中的電流 IDAl (圖6G)之和產(chǎn)生。二極管DAl—被接通，輸出電壓VS就施加到變壓器TP的兩個(gè)繞組 251,253上。由于這個(gè)變壓器的磁漏，繞組251將在它的端子上接受表示在圖6Μ中的大致 等于輸出電壓VS的電壓VSEC。變壓器TP的變壓比非常接近一，表示在圖6J中的繞組251 中的電流ΙΤΧ2和表示在圖6G中的繞組253中的電流IDAl大致等于輸入到變壓器TP中的 電流IRP的數(shù)值的一半，即等于輸入電流IE的一半。在時(shí)間t4，不再有任何電流流入二極管Dl中，這導(dǎo)致后者截止(圖6F)。因此，晶 體管T2的端子上的電壓V2(圖6D)開(kāi)始減小。同時(shí)，從圖6C、6G和6J中可以看出，變壓器 TP的輸入端上的電流IRP以及每個(gè)繞組中的電流IDAl和ITX2因互感而繼續(xù)增大。這樣， 輸入到變壓器中的電流IRP進(jìn)入諧振。在時(shí)間t4，放電的電容器CRl事實(shí)上隨著主晶體管 T2的端子上的電壓V2減小到零而逐步充電。同時(shí)，最初充電的電容器CR2開(kāi)始放電。在時(shí)間t4和t5之間，當(dāng)主晶體管T2的端子上的電壓V2大致等于輸出電壓VS的 一半時(shí)，輸入到變壓器TP中的電流IRP將到達(dá)諧振峰(圖6C和6D)。在經(jīng)過(guò)這個(gè)時(shí)間期 間，變壓器TP的繞組251的端子上的電壓VSEC將減小(圖6M)，而這同一個(gè)變壓器的繞組 253的端子上的電壓VPRI將增大(圖61)。換句話說(shuō)，輸出電壓VS同時(shí)從繞組251切換到 繞組253。在時(shí)間t5，雖然主晶體管T2的端子上的電壓V2消除了(圖6D)，但弱電流將流入 與晶體管T2并聯(lián)的反接二極管D2中。這可以從表示流入由主晶體管T2和二極管D2構(gòu)成 的模塊中的電流IT2的圖6E中看出。主晶體管T2在時(shí)間t5和時(shí)間t6之間被接通，因此， 這些端子上的電壓V2大致等于零(圖6D)。從而，使發(fā)生這種接通時(shí)消耗的電能最小。在時(shí)間t6，主晶體管T2中的電流IT2逐步增大(圖6E)，同時(shí)分別在第一和第二 繞組251、253中的電流ITX2和IDAl的強(qiáng)度減小(圖6J，6G)。在時(shí)間t7，不再有任何電流流入二極管DAl中和流入變壓器IP的第二繞組253中 (圖6G)——導(dǎo)致所述二極管截止。表示在圖6J中的弱強(qiáng)度的電流IMAG由于變壓器TP的 磁化，繼續(xù)流入晶體管T2中和流入所述變壓器的第一繞組中。在時(shí)間t7和時(shí)間偽之間， 由于變壓器TP的繞組253、251的端子上的電壓VPRI、VSEC大致等于零(圖6I、6M)，所以 這個(gè)電流IMAG的值保持大致不變。在時(shí)間偽，命令晶體管TX2進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)(圖6B)，并且，如圖6L所示，二極管DXl 能夠使流入第一繞組251中的磁化電流IMAG完全被除去。因此，在主晶體管T2的主接通之前，使變壓器TP完全退磁。從圖6K中可以看出，晶體管TX2的端子上的電壓的值大致等 于輸出電壓VS。從圖6H中可以看出，二極管DAl這部分的端子上的電壓大致等于輸出電 壓VS的值的兩倍。因此，在變壓器TP退磁期間，輔助晶體管TX2的端子上的電壓VTX2比 二極管DAl的端子上的電壓VDAl低兩倍。因此，吸收高退磁電壓的是二極管DA1，而不是輔 助晶體管TX2——使得能夠選擇較低額定值的晶體管TX2——因此，更加便宜，和更低功耗 地工作。在時(shí)間t9，變壓器TP完全退磁，S卩，其端子上的電壓的值是零。因此，電流IMAG變 成零，以及二極管DXl截止(圖6L)。從而，我們恢復(fù)到時(shí)間tl之前的初始狀態(tài)。參考圖7A 圖7K，下文在電源輸入端上的輸入電流IE的強(qiáng)度不足以實(shí)現(xiàn)主晶體 管的自然接通的情況下對(duì)圖4的轉(zhuǎn)換裝置的開(kāi)關(guān)電路213的操作加以描述。因此，下文所 述的操作一般可應(yīng)用于電壓VE的半波的開(kāi)頭和末尾?！_(kāi)始，從圖7A中可以看出，晶體管T2處在接通或?qū)щ姞顟B(tài)下，并且讓表示在圖 7E中的電流IT2流過(guò)，電流IT2的值大致等于輸入電流IE。從圖7D和圖7F中可以看出， 主晶體管T2的端子上的電壓V2的值幾乎是零，并且二極管Dl處在截止?fàn)顟B(tài)下。在時(shí)間tl，主晶體管T2從接通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)(圖7A)，并且輸入電流IE被 分流到儲(chǔ)能部件137。從圖7D中可以看出，主晶體管T2的端子上的電壓V2開(kāi)始逐步增大， 對(duì)并聯(lián)電容器CR2充電。當(dāng)輸入電流IE的強(qiáng)度太小時(shí)，晶體管T2的端子上的電壓V2極緩 慢地增大，并且無(wú)法達(dá)到輸出電壓VS的值。因此，不能接通二極管D1，使二極管Dl不導(dǎo)電 (圖 7F)。在時(shí)間t2，輔助晶體管TX2被接通(圖7B)。因此，從圖71中可以看出，輔助晶體 管TX2看到逐步增大的電流ITX2。同樣，輸入到變壓器TP中的電流IRP(圖7C)和二極管 DAl中的電流IDAl (圖7G)也增大。然后，輸入到變壓器TP中的電流IRP進(jìn)入諧振階段。最初放電的電容器CRl事實(shí) 上隨著主晶體管T2的端子上的電壓V2降低到零而逐步充電。同時(shí)，最初充電的電容器CR2 開(kāi)始放電。然后，輸入到變壓器TP中的電流IRP達(dá)到諧振峰(圖7C)接著減小。從圖7C、 7D、7G、7H、7I和7K中可以看出，諧振階段導(dǎo)致主晶體管T2的端子上的電壓V2不能被消除 地振蕩。因此，由于控制部件301的邏輯布爾AND運(yùn)算器313的輸出端保持在失效狀態(tài)的 事實(shí)，所以不能接通晶體管T2。在時(shí)間t3，在經(jīng)過(guò)了控制部件301的延遲模塊316定義的時(shí)間TMAX之后，自動(dòng)接 通主晶體管T2(圖7Α)。同時(shí)，主晶體管Τ2的終端上的電壓V2突然下降到零(圖7D)—— 在主晶體管Τ2中產(chǎn)生電流峰(圖7Ε)。電流IRP減小(圖7C)，并且二極管DAl處在截止 狀態(tài)下(圖7G)。只有磁化電流IMAG流入晶體管ΤΧ2中(圖71)。在時(shí)間t4，在控制部件301的模塊315定義的時(shí)段TMAX'之后，輔助晶體管TX2 截止(圖7B)。二極管DXl使變壓器TP能夠在時(shí)間t5實(shí)現(xiàn)完全退磁(圖7H、7I和7J)。在時(shí)間t5，變壓器TP完全退磁。因此，電流IMAG變成零，并且二極管DXl截止(圖 7J)。然后，我們恢復(fù)到時(shí)間tl之前的初始狀態(tài)。上文描述了其操作的表示在圖4中的轉(zhuǎn)換裝置對(duì)應(yīng)于升壓斬波器型的部件。按照 本發(fā)明的轉(zhuǎn)換裝置也可以適用于如表示在圖8中的實(shí)施例所示的降壓斬波器型的部件。部分地表示在圖8中的轉(zhuǎn)換裝置包含上文參考圖4已經(jīng)描述過(guò)的元件。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，只表示出了用于處理與三相之一相聯(lián)系的正半波的開(kāi)關(guān)電路。表示在圖8中的轉(zhuǎn)換 裝置包含輸送AC輸入電壓VE和輸入電流IE的電壓源402、和開(kāi)關(guān)部件404。所示的開(kāi)關(guān) 電路能夠在輸出線415上供應(yīng)具有正值的大致恒定電壓VS。電路轉(zhuǎn)換器的輸出端被表示成 DC電壓源VS。電感403為匹配兩個(gè)電壓源之間的阻抗服務(wù)。所示的開(kāi)關(guān)電路包含施加輸 入電壓VE和輸入輸入電流IE的電源輸入端405。整流部件Dl和主晶體管T2形成降壓結(jié) 構(gòu)。轉(zhuǎn)換裝置配有安排在電源輸入端405與輸出線415之間的開(kāi)關(guān)輔助電路，該開(kāi)關(guān)輔助 電路包含基本上由直接與電源輸入端405連接的變壓器TP形成的電感部件412。該開(kāi)關(guān)輔 助電路還包含輸入電流分支部件411，即，輔助晶體管TX2，其與變壓器TP、TN連接，以便在 主接通之前建立輸入電流IE到所述變壓器的分支。更準(zhǔn)確地說(shuō)，輔助晶體管TX2連接在第 一繞組451與輸出線415之間。該開(kāi)關(guān)輔助電路進(jìn)一步包含并聯(lián)在開(kāi)關(guān)部件404上的儲(chǔ)能 部件413。如圖8所示，變壓器TP包含連接在電源輸入端405與分支部件TX2之間的第一繞 組451、和與第一繞組磁耦合并連接在所述電源輸入端405與輸出線和電壓基準(zhǔn)之間的第 二反繞繞組453。第一反向阻斷二極管DXl連接在第一繞組451與電壓基準(zhǔn)之間。第二反 向阻斷二極管DAl連接在第二繞組453與電壓基準(zhǔn)之間。這種降壓部件的操作基本上與上 文所述的升壓部件的操作相同。上文所述的轉(zhuǎn)換裝置，尤其整流裝置可以用在像表示在圖9中的那種那樣的不間 斷電源501中。這種不間斷電源包含施加來(lái)自第一三相電力系統(tǒng)的可變輸入電壓的電源輸 入端502。該不間斷電源包含前述類型的整流器503，所述整流器連接在一方面電源輸入端 502與另一方面兩條輸出線504或大致DC電壓總線之間。該不間斷電源包含逆變器506， 逆變器506連接在輸出線504與設(shè)計(jì)成將安全的三相AC電壓供應(yīng)給負(fù)載508的輸出端507 之間。DC電壓總線504還經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器510與電池509連接。從圖9中可以看出，靜態(tài)開(kāi)關(guān)511和512使得能夠在第一三相電力系統(tǒng)的電源輸 入端502與也是三相的第二電力系統(tǒng)的電源輸入端513之間作出選擇。從而，可以通過(guò)不間 斷電源501，經(jīng)由第一安全電力系統(tǒng)供電給負(fù)載，然后，如果有需要，切換到第二電力系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)計(jì)成在輸出線(115，117)上供應(yīng)大致直流輸出電壓(VQ的單向轉(zhuǎn)換裝置，所 述裝置配有至少一個(gè)開(kāi)關(guān)單元013，216)，包括-施加輸入電壓(VE)的電源輸入端(121，122)；-與所述電源輸入端連接以便供應(yīng)輸出電壓(VS)的整流部件(D1，D4)；-直接與所述電源輸入端連接的開(kāi)關(guān)部件(T2，T3)，以獲得輸入電流的主接通或主截 止，使得當(dāng)發(fā)生主截止時(shí)，將所述輸入電流轉(zhuǎn)向所述整流部件；-所述開(kāi)關(guān)部件的控制部件(301)；以及-安排在電源輸入端(121，122)與輸出線(115，117)之間的開(kāi)關(guān)輔助電路031，232)， 以便在主接通之前，建立大致等于零的開(kāi)關(guān)電壓(V2，V3)，所述開(kāi)關(guān)輔助電路包含電感部 件；在主接通之前建立起到所述電感部件上的輸入電流的分支的輸入電流(IE)的分支部 件；和并聯(lián)在開(kāi)關(guān)部件上的儲(chǔ)能部件(137，138)，以便在主接通之前，建立起電感部件中的 所述電流的諧振，其特征在于，所述電感部件基本上由直接與電源輸入端(121,12 連接和包含反繞繞 組的變壓器(TP，TN)形成，以及所述分支部件包含直接連接在所述電感部件與電壓基準(zhǔn)之 間或所述電感部件與輸出線之間的輔助開(kāi)關(guān)部件(TX2，TX3)。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述變壓器(TP，TN)包括-連接在電源輸入端(121，122)與分支部件(TX2，TX3)之間的第一繞組(251,252)；以及-與所述第一繞組磁耦合并連接在所述電源輸入端(121，122)與輸出線(115，117)之 間或所述電源輸入端(121,12 與電壓基準(zhǔn)之間的第二繞組Q53，2M)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述變壓器呈現(xiàn)小于一的變壓比。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，第一反向阻斷二極管(DX1，DX4)連接 在第一繞組(251,252)與輸出線(115，117)之間或第一繞組(251,252)與電壓基準(zhǔn)之間。
5.按照權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，第二反向阻斷二極管(DA1，DA4)連接在 第二繞組(253,254)與輸出線(115，117)之間或第二繞組(253，254)與電壓基準(zhǔn)之間。
6.按照權(quán)利要求2到5的任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述輔助開(kāi)關(guān)部件基本上 由直接連接在第一繞組051，252)與電壓基準(zhǔn)之間或第一繞組051，252)與輸出線(115， 117)之間的輔助晶體管(TX2，TX;3)形成，在主截止時(shí)和在發(fā)生所述輔助晶體管(ΤΧ2，ΤΧ3) 接通的時(shí)刻，所述輔助晶體管在變換器繞組上供應(yīng)其值是所述輸出電壓(VQ的函數(shù)的電 壓。
7.按照權(quán)利要求1到6的任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述控制部件(301)包括 設(shè)計(jì)成在比預(yù)定時(shí)段(TMAX)長(zhǎng)的時(shí)段之后強(qiáng)迫延遲主接通的延時(shí)模塊(315)。
8.按照權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述控制部件(301)應(yīng)用于所述輔助開(kāi)關(guān) 部件(ΤΧ2，ΤΧ3)，并且包含設(shè)計(jì)成在比預(yù)定時(shí)段(TMAX')長(zhǎng)的時(shí)段期間觸發(fā)電流分支的模 塊(316)。
9.按照權(quán)利要求1到8的任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述整流裝置包括包含電 流輸入端的二極管(D1，D4)，所述輸入端與電源輸入端(121,12 連接。
10.按照權(quán)利要求1到9的任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)能部件(137， 138)包括與整流部件并聯(lián)的第一電容器(CR1，CR4)、和與開(kāi)關(guān)部件并聯(lián)的第二電容器
11. 一種不間斷電源(301)，其包括其上施加可變輸入電壓的電源輸入端(302)、與所 述輸入端連接的整流器(30 、連接在所述整流器的輸出端上的至少一條大致直流電壓線、 和與所述電壓線連接并包含設(shè)計(jì)成供應(yīng)可變輸出電壓的輸出端(307)的逆變器(306)，其 特征在于，所述整流器是按照上述權(quán)利要求之一的轉(zhuǎn)換裝置，并且在所述線上供應(yīng)大致直 流輸出電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)換裝置，包括電源輸入端(121，122)、整流部件(D1，D4)、開(kāi)關(guān)部件(T2，T3)、控制部件(301)和開(kāi)關(guān)輔助電路(231，232)，其中所述開(kāi)關(guān)輔助電路包含電感部件、分流輸入電流(IE)的部件、和儲(chǔ)能部件(137，138)。本發(fā)明的裝置的特征在于，電感部件基本上包括直接與電源輸入端(121，122)連接并包含反繞繞組的變壓器(TP，TN)，以及分流裝置包括直接連接在所述電感部件與基準(zhǔn)電壓或輸出線(115，117)之間的輔助開(kāi)關(guān)部件(TX2，TX3)，以便在主起動(dòng)P之前，在所述電感部件上建立輸入電流旁路。本發(fā)明還涉及包括上述轉(zhuǎn)換裝置的不間斷電源。
文檔編號(hào)H02M7/155GK102150352SQ200980135433
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2009年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者科倫廷.里澤特, 讓-保羅.費(fèi)里尤克斯, 阿蘭.拉卡諾伊 申請(qǐng)人:Mge Ups系統(tǒng)公司