專利名稱：交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置，尤指一種可在任意時(shí)間關(guān)斷負(fù)載交流電源的半導(dǎo)體開關(guān)裝置。
傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)配電盤及變頻器交流電源輸出中，若輸出端短路或接地故障時(shí)，主開關(guān)必須跳脫來保護(hù)。但目前主開關(guān)采用無融絲開關(guān)、電磁開關(guān)或其它斷路器等皆屬于機(jī)械速度開斷，起斷速度慢，產(chǎn)生火花，危險(xiǎn)性高，并且使用壽命不佳。尤其，因?yàn)槠饠嗨俣嚷?，?dāng)負(fù)載側(cè)發(fā)生故障電流時(shí)，負(fù)載容易被損壞，譬如半導(dǎo)體裝置型式變頻器不允許超過10微秒的過電流狀況發(fā)生，然目前無融絲開關(guān)或斷路器根本無法在10微秒的內(nèi)確實(shí)關(guān)斷。再者，現(xiàn)今自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)中，一臺(tái)變頻器經(jīng)常同步帶動(dòng)數(shù)十臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)，一但任一臺(tái)電動(dòng)機(jī)短路或接地故障，而導(dǎo)致變頻器跳脫時(shí)，即會(huì)造成生產(chǎn)系統(tǒng)嚴(yán)重停機(jī)損失，例如紡絲卷取及軋鋼滾輪輸送系統(tǒng)等。
此外，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)器、功率因子控制器及調(diào)壓調(diào)速器等方面的開關(guān)電路是采用逆向阻塞式三極可控硅整流器(SCR)，目前可控硅整流器使用方式為整個(gè)半波通過，以延遲觸發(fā)達(dá)到降壓目的，由于電壓波形已非正弦波，因此電動(dòng)機(jī)的功率因子低，諧波高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低，軟起動(dòng)效果不佳。譬如德國西門子及美國AB等品牌的起動(dòng)最大電流為500％額定值，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最高只有25％，只能適合低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩方面的送風(fēng)機(jī)、水泵使用，適用范圍受到嚴(yán)重限制，以致傳統(tǒng)軟起動(dòng)器無法取代各種電動(dòng)機(jī)起動(dòng)開關(guān)。
本發(fā)明人有鑒于傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)配電盤及控制器開關(guān)的使用缺點(diǎn)，因此乃針對(duì)其癥結(jié)所在，開始著手加以謀求改善，補(bǔ)其所缺，以尋求一項(xiàng)合理解決方案，經(jīng)過無數(shù)次研析、設(shè)計(jì)，終于完成本發(fā)明交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置。
本發(fā)明的目的，在于提供一種交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置，該裝置能夠在任意時(shí)間迅速開關(guān)交流電源，而不必在電壓過零時(shí)才切斷，達(dá)到確實(shí)保護(hù)作用；該半導(dǎo)體開關(guān)裝置可配合簡易的控制功能，以取代傳統(tǒng)無融絲開關(guān)、電磁開關(guān)、漏電斷路器、過載電驛及保險(xiǎn)絲等，并且能夠配合附加軟件及硬件，以作為電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)器、功率因子控制器及調(diào)壓調(diào)速器等功能，能夠更準(zhǔn)確及高效率操作；該半導(dǎo)體開關(guān)裝置整體開關(guān)速度快，不會(huì)發(fā)生電弧，損耗小，使用壽命長，只須15伏特電源即可操作達(dá)幾萬安培，與傳統(tǒng)配電盤比較，可節(jié)省幾十倍成本，并且采用數(shù)字化操作，簡單、可靠及高效率，能夠與計(jì)算機(jī)通訊作集中控制功能。
一種交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置，該裝置在單相或三相負(fù)載的各相交流電源上串接可控式第一、第二半導(dǎo)體組件，這些第二半導(dǎo)體組件的另一端共同連接導(dǎo)通，在各相第一、第二半導(dǎo)體組件之間以接線輸出交流電源至相對(duì)負(fù)載，并且這些第一、第二半導(dǎo)體組件各并聯(lián)一反向的二極管，而各相第一半導(dǎo)體組件與對(duì)應(yīng)相第二半導(dǎo)體組件是為相反的開關(guān)動(dòng)作，藉關(guān)斷該相第一半導(dǎo)體組件以切斷交流電源，則負(fù)載上的電流經(jīng)由對(duì)應(yīng)相第二半導(dǎo)體及該相第二半導(dǎo)體組件所并聯(lián)的二極管，而構(gòu)成一續(xù)流回路。這些第一、第二半導(dǎo)體組件為功率絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
本發(fā)明具有下列附圖

圖1本發(fā)明實(shí)施例半導(dǎo)體開關(guān)裝置的電路圖。
圖2圖1R相導(dǎo)通至S相電源的示意圖。
圖3圖2切斷交流電源的示意圖。
圖4圖1T相導(dǎo)通至S相電源的示意圖。
圖5圖4切斷交流電源的示意圖。
圖6脈沖寬度調(diào)整輸出電壓、電流波形圖。
圖7本發(fā)明另一實(shí)施例的電路圖。
圖中代號(hào)說明10三相電動(dòng)機(jī)11、21、31第一半導(dǎo)體組件12、22、32第二半導(dǎo)體組件40單向電動(dòng)機(jī)D1、D2、D3、D4、D5、D6二極管下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置控制三相負(fù)載的交流電源開關(guān)動(dòng)作，而圖1所示負(fù)載即以三相電動(dòng)機(jī)10作為說明，其主要在R、S、T相交流電源上各串接可控式第一、第二半導(dǎo)體組件11、12、21、22、31、32，這些第二半導(dǎo)體組件12、22、32的另一端則共同連接導(dǎo)通，并在各相第一、第二半導(dǎo)體組件11、12、21、22、31、32的間形成U、V、W交流電源輸出端，以接線輸出交流電源至三相電動(dòng)機(jī)10的相對(duì)線圈，而各相第一、第二半導(dǎo)體組件11、12、21、22、31、32皆并聯(lián)一反向的二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6。在圖1所示實(shí)施例中，這些第一、第二半導(dǎo)體組件11、12、21、22、31、32系為功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGBT)，亦可采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，或者其它可適用的晶體管，譬如漢寧頓管(GTR)。
在R、S相交流電源導(dǎo)通，柵極控制信號(hào)驅(qū)使第一半導(dǎo)體組件11導(dǎo)通，而第二半導(dǎo)體組件12、22被切斷，則R相交流電源正半波通過第一半導(dǎo)體組件11，如圖2箭頭方向所示流經(jīng)三相電動(dòng)機(jī)10的相對(duì)線圈，然后電流I1回流通過S相的二極管D2。若在任意時(shí)間切斷R相第一半導(dǎo)體組件11，則R相交流電源立刻被切斷，同時(shí)控制第二半導(dǎo)體組件12、22各呈導(dǎo)通狀態(tài)，則如圖3所示三相電動(dòng)機(jī)10相對(duì)線圈的電流I1，系經(jīng)由S相第二半導(dǎo)體組件22及R相二極管D4，再回流到線圈上，構(gòu)成一續(xù)流回路，避免發(fā)生瞬間超高壓，因此能夠在任意時(shí)間迅速開關(guān)交流電源，而不必在電壓過零時(shí)才切斷，達(dá)到迅速確實(shí)保護(hù)的效果。
再以T、S相交流電源導(dǎo)通為例說明，T相交流電源正半波通過第一半導(dǎo)體組件31，如圖4箭頭方向所示流經(jīng)三相電動(dòng)機(jī)10的相對(duì)線圈，然后電流I2回流通過S相的二極管D2。若在任意時(shí)間切斷T相第一半導(dǎo)體組件31，則如圖5所示三相電動(dòng)機(jī)10相對(duì)線圈的電流I2，即經(jīng)由S相第二半導(dǎo)體組件22及T相二極管D6，再回流到線圈上。
另一方面，可將脈沖寬度調(diào)整(PWM)方式的控制信號(hào)輸至第一、第二半導(dǎo)體組件11、12、21、22、31、32的柵極G，以將三相交流電源的每一個(gè)正弦波作同等份切割，通過脈沖寬度調(diào)整(PWM)時(shí)間控制，即可得到圖6所示電壓波形，達(dá)到調(diào)壓目的，并且電流輸出近似正弦波，能夠提高電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及功率因子。
請(qǐng)參閱圖7，此實(shí)施例針對(duì)單向電動(dòng)機(jī)40，在R、S相交流電源上各串接可控式第一、第二半導(dǎo)體組件11、12、21、22，將兩個(gè)第二半導(dǎo)體組件12、22的另一端共同連接導(dǎo)通，并在各相第一、第二半導(dǎo)體組件11、12、21、22的間形成U、V交流電源輸出端，以接線輸出交流電源至單向電動(dòng)機(jī)40，而各相第一、第二半導(dǎo)體組件11、12、21、22皆并聯(lián)一反向的二極管D1、D2、D4、D5。
綜合以上所述，本發(fā)明交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置能夠在任意時(shí)間迅速開關(guān)交流電源，而不必在電壓過零時(shí)才切斷，適用于電動(dòng)機(jī)電源隔離、軟起動(dòng)器、功率因子控制器及調(diào)壓調(diào)速器等方面，整體開關(guān)速度快，無電弧，使用壽用長，損耗小，配合數(shù)字化操作，簡單、可靠及高效率，能夠與計(jì)算機(jī)通訊作集中控制功能，進(jìn)一步可通過脈沖寬度調(diào)整控制方式以精確調(diào)整電壓，并且電流輸出近似正弦波，能夠提高電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及功率因子效率，具備產(chǎn)業(yè)上實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置，該裝置在單相或三相負(fù)載的各相交流電源上串接可控式第一、第二半導(dǎo)體組件，這些第二半導(dǎo)體組件的另一端共同連接導(dǎo)通，在各相第一、第二半導(dǎo)體組件之間以接線輸出交流電源至相對(duì)負(fù)載，并且這些第一、第二半導(dǎo)體組件各并聯(lián)一反向的二極管，而各相第一半導(dǎo)體組件與對(duì)應(yīng)相第二半導(dǎo)體組件是為相反的開關(guān)動(dòng)作，藉關(guān)斷該相第一半導(dǎo)體組件以切斷交流電源，則負(fù)載上的電流經(jīng)由對(duì)應(yīng)相第二半導(dǎo)體及該相第二半導(dǎo)體組件所并聯(lián)的二極管，而構(gòu)成一續(xù)流回路。
2.如權(quán)利要求1所述的交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置，其中，這些第一、第二半導(dǎo)體組件為功率絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
3.如權(quán)利要求1所述的交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置，其中，這些第一、第二半導(dǎo)體組件的柵極是輸入脈沖寬度調(diào)整(PWM)控制信號(hào)，以等份切割交流電源的正弦波，配合脈沖寬度調(diào)整(PWM)時(shí)間控制，而調(diào)整輸出電壓。
全文摘要
一種交流電源任意時(shí)間超快速半導(dǎo)體開關(guān)裝置,是在單相或三相負(fù)載的各相交流電源上串接可控式第一、第二半導(dǎo)體組件,這些第二半導(dǎo)體組件的另一端共同連接導(dǎo)通,在各相第一、第二半導(dǎo)體組件的間以接線輸出交流電源至相對(duì)負(fù)載,并且這些第一、第二半導(dǎo)體組件各并聯(lián)一反向的二極管,而各相第一半導(dǎo)體組件與對(duì)應(yīng)相第二半導(dǎo)體組件是為相反的開關(guān)動(dòng)作,藉關(guān)斷該相第一半導(dǎo)體組件以切斷交流電源,則負(fù)載上的電流是經(jīng)由對(duì)應(yīng)相第二半導(dǎo)體組件及該相第二半導(dǎo)體組件所并聯(lián)的二極管,而構(gòu)成一續(xù)流回路,避免發(fā)生瞬間超高電壓,因此能夠在任意時(shí)間迅速開關(guān)交流電源。
文檔編號(hào)H03K17/56GK1357972SQ0013413
公開日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2000年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月5日
發(fā)明者戴政耀 申請(qǐng)人:戴政耀