具有電壓平衡電路的輔助諧振換向極變流器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及用于限制切換所需功率的諧振電力轉(zhuǎn)換的改進(jìn)電路。
[0002]背景
[0003]在電力變流器中，當(dāng)所有組件均不具有理想特性時(shí)產(chǎn)生損耗。損耗在電源電路中弓丨入熱量，其中除了消耗能量將熱應(yīng)變引入到所有部件中之外，還縮短了使用壽命。
[0004]期望增大電力變流器的操作頻率，這樣生成的輸出然后可以被更準(zhǔn)確地控制。增大切換頻率導(dǎo)致較低的切換紋波、較小的組件值，繼而導(dǎo)致本發(fā)明的更緊湊、重量輕且有成本效益的實(shí)現(xiàn)。另外，較低的切換紋波允許可能降低的EMI，繼而更接近無干擾切換的目標(biāo)。更進(jìn)一步，具有高切換頻率允許由電力變流器生成更高頻率的電流，從而擴(kuò)大了合適的變流器應(yīng)用的范圍。
[0005]但是，增大頻率也增大了切換損耗，因?yàn)榇蟛糠謸p耗基于切換周期出現(xiàn)。在電流穿過半導(dǎo)體時(shí)或在其上存在電壓差時(shí)迫使半導(dǎo)體換向，需要必須向半導(dǎo)體供應(yīng)的能量。因此，減小穿過半導(dǎo)體的電流或其兩端的電壓降低了開關(guān)的總輸入功率，并且因此降低了系統(tǒng)的總輸入功率。
[0006]降低特定開關(guān)上的損耗的一種方式是添加諧振組件到電路，其中電流通過電感元件、通過電容器放電生成。采用這種技術(shù)的電路已知為諧振變流器。諧振變流器的使用實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這降低了在切換操作中消耗的能量。通常存在兩種類型的軟開關(guān):零電壓切換和零電流切換。零電壓切換包括在換向之前將開關(guān)上的電壓差減到最小，而零電流切換包括在切換之前將經(jīng)過其中的電流減到最小。為使真實(shí)的零電壓切換成為可能，諧振電路必須正確調(diào)節(jié)在開關(guān)一側(cè)的電壓，使得開關(guān)上不存在電勢(shì)差。
[0007]生成較少的EMI噪聲是其自身的重要目標(biāo)。在其中變流器或逆變器被直接連接到電網(wǎng)的應(yīng)用中，EMI噪聲可導(dǎo)致問題，這些問題在正常情況下通過采用EMC濾波器解決。EMC濾波器必須與變流器串聯(lián)地放置，從而處理滿電流容量。通過將EMI降至最低，可使EMC濾波器從變流器設(shè)計(jì)中省去。
[0008]概要
[0009]提供一種諧振電力變流器。所述諧振電力變流器包括:DC電源，正DC導(dǎo)體、負(fù)DC導(dǎo)體、相導(dǎo)體、以及在DC電源與相導(dǎo)體之間耦接的電力轉(zhuǎn)換單元。電力轉(zhuǎn)換單元包括:在正DC導(dǎo)體與相導(dǎo)體之間耦接的第一開關(guān)，和與第一開關(guān)并聯(lián)的第一二極管，以及在負(fù)DC導(dǎo)體與相導(dǎo)體之間耦接的第二開關(guān)，和與第二開關(guān)并聯(lián)的第二二極管。電力轉(zhuǎn)換單元還包括在DC電源的中點(diǎn)上的饋給連接與相導(dǎo)體之間耦接的諧振輔助切換電路。諧振輔助切換電路包括控制裝置，以用于控制通過饋給連接與相導(dǎo)體之間的諧振輔助切換電路的電流。
[0010]諧振電力變流器還包括用于平衡饋給連接中的電壓的平衡電路。平衡電路包括與電感器串聯(lián)的第一正控制裝置。第一正控制裝置和電感器在正DC導(dǎo)體與饋給連接之間耦接。平衡電路還包括與電感器串聯(lián)的第二負(fù)控制裝置，其中第二負(fù)控制裝置在負(fù)DC導(dǎo)體與饋給連接之間耦接。第一正控制裝置和第二負(fù)控制裝置適于交替地接通和關(guān)斷以用于平衡諧振電力變流器，使得在饋給連接中的電壓實(shí)質(zhì)上為正DC導(dǎo)體和負(fù)DC導(dǎo)體的平均電壓。
[0011]通過平衡DC電源，諧振電力變流器能夠更好地減小開關(guān)兩端的電壓，使得切換可以以低損耗執(zhí)行。
[0012]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，諧振電力變流器還包括與電感器并聯(lián)或串聯(lián)的輔助電容器，使得當(dāng)電流流過諧振輔助切換電路時(shí)產(chǎn)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路。
[0013]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一正控制裝置和第二負(fù)控制裝置與單個(gè)電感器串聯(lián)連接，然后再耦接到饋給連接。該實(shí)施例用幾個(gè)組件創(chuàng)建平衡電路。
[0014]正控制裝置和負(fù)控制裝置可適于與主開關(guān)一起進(jìn)行切換，并且第一主開關(guān)和第一正控制裝置的切換可同步，以及第二主開關(guān)和第二負(fù)控制裝置的切換可同步，使得DC電源伴隨著開關(guān)的切換而被持續(xù)地平衡。
[0015]第一正控制裝置和第二負(fù)控制裝置可適于被交替地開關(guān)，使得第一正控制裝置在實(shí)質(zhì)上50%的時(shí)間為接通并且在實(shí)質(zhì)上50%的時(shí)間為關(guān)斷，并且使第二負(fù)控制裝置在實(shí)質(zhì)上50%的時(shí)間為接通并且在實(shí)質(zhì)上50%的時(shí)間為關(guān)斷。
[0016]根據(jù)實(shí)施例中的任一個(gè)實(shí)施例的諧振電力變流器可適于在有源濾波器(activefilter)中使用。
[0017]還提供了一種用于減少電氣系統(tǒng)中的諧波的有源濾波器。該有源濾波器包括根據(jù)本文實(shí)施例中的任一個(gè)實(shí)施例的諧振電力變流器和控制單元，該控制單元適于測(cè)量在電氣系統(tǒng)中的一點(diǎn)處的電壓和/或電流，以及基于測(cè)量的電壓和/或電流來控制諧振電力變流器的切換。
[0018]在有源濾波器應(yīng)用中平衡諧振電力變流器的DC電源是有利的，因?yàn)橛性礊V波器旨在糾正的電壓/電流誤差可迅速改變變化，迫使電力變流器在大電壓時(shí)進(jìn)行切換(如果DC電源未被平衡的話)。
[0019]控制單元還可適于控制諧振電力變流器的第一正控制裝置和第二負(fù)控制裝置，以用于平衡諧振電力變流器的DC電源，并且控制單元可適于控制開關(guān)和控制裝置，使得第一開關(guān)和第一正控制裝置的切換同步，并且使第二開關(guān)和第二負(fù)控制裝置的切換同步。
[0020]請(qǐng)注意，除非明顯矛盾，否則任何實(shí)施例可以以任何方式組合。
[0021]附圖簡(jiǎn)述
[0022]現(xiàn)在參考附圖借助于示例來描述本發(fā)明，在附圖中:
[0023]圖1a示出用于當(dāng)輸出電流從具有電壓+V切換成具有電壓-V時(shí)的諧振電力轉(zhuǎn)換電路，
[0024]圖1b示出用于當(dāng)輸出電流從具有電壓+V切換成具有電壓-V時(shí)的諧振電力轉(zhuǎn)換電路的另選實(shí)施例，
[0025]圖2示出用于為當(dāng)輸出電流從具有電壓+V切換成具有電壓-V時(shí)的諧振電力轉(zhuǎn)換電路，
[0026]圖3a示出用于當(dāng)輸出電流從具有電壓-V切換成具有電壓+V時(shí)的諧振電力轉(zhuǎn)換電路，
[0027]圖3b示出了圖3a所示的諧振電力轉(zhuǎn)換電路，其中不同的是DC電源是不平衡電源，
[0028]圖4示出了包括平衡電路的諧振電力轉(zhuǎn)換電路。
[0029]圖5示出了包括諧振電力轉(zhuǎn)換電路的有源濾波器的實(shí)施例。
[0030]詳細(xì)描述
[0031]現(xiàn)在將根據(jù)對(duì)附圖的參考，借助于示例描述使用諧振電力轉(zhuǎn)換、或切換的電力變流器的基本原理。應(yīng)理解，附圖僅用于說明的目的并且不以任何方式限制范圍。
[0032]在下圖中，示出電力變流器用于在有源濾波器中的使用。但是，該實(shí)施例僅視作電力變流器的一個(gè)用途示例。由所附權(quán)利要求定義的發(fā)明概念可在其中需要諧振電力變流器的全部應(yīng)用中使用，諸如在電源變壓器等中使用。
[0033]在有源濾波器中的電力變流器創(chuàng)建補(bǔ)償電流，該補(bǔ)償電流對(duì)產(chǎn)生諧波的電氣系統(tǒng)中的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。通過減少電氣系統(tǒng)中的諧波，減少了干擾并且降低了電氣系統(tǒng)中的損耗。關(guān)于有源濾波器的細(xì)節(jié)的進(jìn)一步描述可在例如授予Persson的US7289888中找到。電氣系統(tǒng)在附圖中由能量供應(yīng)單元4、能量消耗負(fù)載5和主導(dǎo)體3示出，其中主導(dǎo)體3用于將能量從能量供應(yīng)單元4輸送到能量消耗單元5。能量供應(yīng)單元4可例如為電力網(wǎng)或降低從主電力網(wǎng)供應(yīng)的電壓的變壓器。能量消耗負(fù)載5可例如為電動(dòng)機(jī)。有源濾波器還包括電感器LI，該電感器LI通過以下方式將開關(guān)(控制裝置)Gp、Gn所生成的脈沖轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)，所述方式為通過在電感器兩端形成與電流變化率(根據(jù)I = -LdU/dt)成比例的電壓，來對(duì)抗經(jīng)過該電感器LI的電流的改變。對(duì)于被配置用于100A電流的有源濾波器，電感器通常為在200-250uH范圍內(nèi)的電感器。
[0034]圖1a示出用于諧振電力轉(zhuǎn)換的諧振電力變流器。該諧振電力變流器包括每相兩個(gè)主開關(guān)器件Gp、Gn。開關(guān)器件具有與其并聯(lián)連接的二極管Dp、Dn。諧振電力變流器還包括諧振輔助切換電路AUX，其包括與電感器L2和在DC電源DC上的饋給連接N串聯(lián)耦接的輔助開關(guān)器件(控制裝置)Sp、Sn。電感器L2適于與輔助電容器Cs產(chǎn)生諧振。DC電源DC根據(jù)本實(shí)施例是兩個(gè)電容器C，每個(gè)電容器在饋給連接N處連接。DC電源DC在正導(dǎo)體Ia中產(chǎn)生正電壓V+，并在負(fù)導(dǎo)體V-中產(chǎn)生負(fù)電壓V-。在一個(gè)示例中，正電壓為+400V并且負(fù)電壓為-400V。在優(yōu)選實(shí)施例中，IGBT由于高的開關(guān)頻率而被用于兩個(gè)主開關(guān)器件Gp、Gn和輔助開關(guān)器件Sp、Sn，但本發(fā)明適于與許多類型的開關(guān)器件(諸如(但不限于)BJT、MOSFET、MCT、GTO 或 IGCT) —起使用。
[0035]在圖1a中所示的實(shí)施例中，輔助電容器(；在0(:電源DC(電容器C)的中點(diǎn)與主開關(guān)Gp和Gn之間的中點(diǎn)之間與電感器L2并聯(lián)連接。圖1a描述當(dāng)沒有電流經(jīng)過LI時(shí)諧振電力變流器的操作。為迫使電壓從+V到-V，即從+400V到-400V，需要通過諧振輔助切換電路AUX提供額外的電流。作為切換循環(huán)中的第一步驟，開關(guān)Gp關(guān)斷使得電流停止從正導(dǎo)體Ia流出。在相導(dǎo)體e中的電壓現(xiàn)在為正電壓+V，并且無電流流動(dòng)。開關(guān)Sp接通，閉合諧振電路，導(dǎo)致電容器(；通過開關(guān)Sp和二極管Dap放電，并且因此改變電感器L2上的電勢(shì)差，產(chǎn)生供應(yīng)給相導(dǎo)體e的電流。諧振輔助切換電路AUX因此供應(yīng)強(qiáng)制電勢(shì)，該強(qiáng)制電勢(shì)實(shí)質(zhì)上等于-V和+V之間的電壓差的一半，從而感應(yīng)出在電感器L2中的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)保持電流流過電感器，從而使得相導(dǎo)體e中的電勢(shì)朝-V下降。借助于驅(qū)動(dòng)電流的電感器L2，強(qiáng)制電勢(shì)導(dǎo)致電壓從+400V下降到-400V。當(dāng)電壓下降結(jié)束時(shí)，電流開始流過負(fù)二極管Dn。此時(shí)，負(fù)開關(guān)Gn上的電勢(shì)差減小，使得Gn可在其兩端沒有任何電壓的情況下進(jìn)行切換。
[0036]圖1b示出諧振電力變流器的在功能上等同的另選實(shí)施例。在圖1b所示的電路中，輔助電容器(；在DC電源DC (電容器C)的中點(diǎn)N與輔助切換電路AUX之間與電感器L2串聯(lián)連接。正如圖la，圖1b描述當(dāng)無電流經(jīng)過電感器LI時(shí)諧振電力變流器的操作。
[0037]圖2示出第二替換方案，其中的目的是當(dāng)電流流過LI時(shí)從+V切換到-V。正開關(guān)Gp關(guān)斷，但是當(dāng)LI擁有磁場(chǎng)時(shí)，其將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)從二極管Dn流出并經(jīng)過其中的電流12，使得主引線中的電壓從+V下降到-V，因此降低開關(guān)Gn上的電壓差，使得開關(guān)Gn能夠以非常小的損耗進(jìn)行切換。
[0038]圖3a示出第三切換操作，其中當(dāng)電流流過電感器LI時(shí)執(zhí)行從-V到+V的切換。作為第一步驟，負(fù)開關(guān)Gn關(guān)斷，導(dǎo)致由電感器LI驅(qū)動(dòng)的電流13繼續(xù)經(jīng)過負(fù)二極管Dn (被指定為二級(jí)管電流Id)。Sp接通，從而閉合諧振輔助切換電路AUX對(duì)Cs放電，并借助電感器L2驅(qū)動(dòng)輔助電流14，使得電壓在主引線中上升，并且因此降低Gp上的電壓差。當(dāng)Gp上的電壓接近零時(shí)，Gp接通并且電流IGp開始流過Gp并且Sp關(guān)斷。經(jīng)由輔助電路AUX所供應(yīng)的電流，流動(dòng)的電流13的電壓因此從-V轉(zhuǎn)變成+V，使得在切換循環(huán)結(jié)束時(shí)，電流流過正主開關(guān)Gp。
[0039]因?yàn)橹C振輔助切換電路AUX向圖1a和3a中的電路供應(yīng)充足的強(qiáng)制電勢(shì)，使得相導(dǎo)體