專利名稱：采用具有常開晶體管的整流器的功率變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用具有常開晶體管的整流器的功率變換器。所述功率變換器用在如 變速驅動、不可間斷電源系統(tǒng)、有源濾波器或DC-DC變換器中。
背景技術：
已知的是，功率變換器包括多個連接到網絡的輸入端，例如如果其被連接到三相 網絡則具有三個輸入端。該變換器具有與其輸入端相連的整流器，以用于將網絡提供的AC 電壓變換為DC電壓。該變換器還包括具有正極導線和負極導線的電源總線(bus)，并且該 DC電壓被施加到該電源總線上，該變換器還包括連接在該電源總線的正極導線和負極導線 之間的總線電容器，以用于保持該總線上的DC電壓穩(wěn)定。在變速驅動類型的功率變換器 中，功率變換器包括多個位于該總線電容器下游的開關臂，一般為三個開關臂。每個開關臂 被連接在該電源總線的正極導線和負極導線之間，并且可包括例如兩個開關晶體管，通過 控制這些晶體管來將DC電壓變換為用于電氣負載的可變電壓。設置在變換器輸入端的整流器可以是有源型的，也包括多個開關臂，其中每個開 關臂設置有至少兩個串聯的晶體管。這些晶體管每個由柵極控制器件控制，以將來自網絡 的AC電壓變換為施加到電源總線上的DC電壓。在其輸入端具有有源整流器的這種類型的 變換器通常被稱作“有源前端”。在這種類型的整流器中，已被證實有利的是，使用常開類型 的場效應晶體管，因為這類晶體管具有高性能特性。然而，如果變換器的整流器使用常開器件，因而這些器件在柵極無施加電壓的情 況下也允許電流通過，則基本的一點是，要保證包括這些器件的開關臂在沒有控制電壓施 加到它們的柵極時，也不會短路變換器的輸入端和總線電容器，以防止電源總線被電壓所 供電，以及防止輔助電源系統(tǒng)被充電，也就是說，-當在電源總線上的DC電壓還沒有達到足夠高的電平時啟動該功率變換器時，或-在功率變換器發(fā)生故障的情況下，例如在輔助電源系統(tǒng)中。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目標是提供一種功率變換器，在該功率變換器中，當啟動該功率變換器 時或在功率變換器發(fā)生故障時，使用常開型晶體管的整流器不會短路變換器的輸入端和總 線電容器。這個目標是由這樣的功率變換器來實現的，該功率變換器包括-多個輸入端，其一端連接到能量源且另一端連接到整流器，所述整流器連接到具 有正極導線和負極導線的電源總線上，并且DC電壓施加到該電源總線上，-總線電容器，其連接到位于該電源總線的正極導線和負極導線之間的整流器的 下游，-該整流器，其包括連接在電源總線的正極導線和負極導線之間的開關臂，該開關 臂包括至少兩個串聯的晶體管，位于該開關臂的兩個晶體管之間的連接中點通過限流元件連接到該變換器的輸入端，-常開型場效應晶體管，其中每個晶體管由柵極控制器件所控制，其特征在于，每個柵極控制器件包括-輸出端，其連接到該晶體管的柵極，-電壓整流器元件，其連接在該控制器件的輸出端和該變換器的輸入端之間，并位 于該限流元件的上游，-電容器，其連接在該晶體管的源極和位于該控制器件的輸出端與該電壓整流元 件之間的點之間。根據本發(fā)明的特定特征，該柵極控制器件包括與該電壓整流元件串聯安裝的電阻
ο根據本發(fā)明的另一特定特征，該柵極控制器件包括連接在該晶體管的柵極和該柵 極控制器件的輸出端之間的柵極電阻器。根據本發(fā)明的另一特定特征，該柵極控制器件包括連接在該晶體管的柵極和該控 制器件的正極端子之間的齊納二極管。根據本發(fā)明的另一特定特征，這些晶體管是JFET(結型場效應晶體管)型的。根據本發(fā)明的另一特定特征，這些晶體管由碳化硅或氮化鎵制成。根據本發(fā)明的另一特定特征，該變換器包括與該限流器元件并聯安裝的開關。根據本發(fā)明的另一特定特征，該限流器元件是如電阻器，以及該電壓整流器元件
是如二極管。
通過參考以舉例方式給出并且示出在附圖中的實施例，其它特征和優(yōu)點將通過下 面詳細的描述而顯露出來，其中圖1部分地示出了功率變換器，并且更具體地示出了用在該變換器中的有源整流 器，圖2示出了用在圖1的整流器中的開關臂，以及用于該開關臂的晶體管的控制器 件，圖3示出了該變換器的整流器的底部晶體管，以及本發(fā)明的特定實施例，圖4給出了當整流器的所有晶體管都導通以及該變換器的輸入端處于短路狀態(tài) 時，啟動該變換器時的情況的簡化視圖，圖5采用了多個曲線以表示本發(fā)明的操作。
具體實施例方式功率變換器可用在例如變速驅動裝置、不間斷電源(UPS)系統(tǒng)、有源濾波器或 DC-DC變換器中。它被設計為接收來自電源的輸入電壓，并將輸出電壓施加到如電氣負載 上。參考圖1，功率變換器典型地包括設置有正極導線10和負極導線11的電源總線， DC電壓Vbus施加到該電源總線上。該功率變換器還包括連接在電源總線的正極導線10和 負極導線11之間的總線電容器Cbus，其被設計為用于保持電源總線上的DC電壓Vbus恒定。變速驅動類型的功率變換器還包括位于總線電容器Cbus下游的開關模塊(圖1中未 示出)，其具有η相，并且每相具有2η個開關晶體管。例如，該開關模塊具有三相，從而包括 三個開關臂，其中每個臂連接在電源總線的正極導線10與負極導線11之間。每個開關臂 包括被連接到電氣負載的連接中點所分隔開的頂部晶體管和底部晶體管。在總線電容器Cbus的上游設置有功率變換器，其包括整流器。如圖1所示，該整流 器是有源的，也就是說其包括被設計為將來自網絡并施加到變換器的輸入端inl、in2、in3 的AC電壓變換為DC電壓的開關臂。如果網絡是如圖1所示的三相網絡，則該變換器包括 三個輸入端inl、in2、in3，其中每個輸入端連接到一個開關臂。整流器的這三個開關臂中 的每個在電源總線的正極導線10與負極導線11之間與總線電容器Cbus并聯。每個開關 臂包括被連接到變換器的輸入端inl、in2、in3中的一個的連接中點M1、M2、M3所分隔開的 頂部晶體管和底部晶體管。在三個輸入端inl、in2、in3中，至少兩個通過預加載電路連接到開關臂。該預 加載電路包括連接到變換器的輸入端的限流器元件，如電阻器、電感器或JFET型晶體管， 通過這些元件來限制啟動變換器時的電流。在附圖中，輸入端inl和in3因此通過電阻器 Ril、Ri3被分別連接到整流器的第一開關臂和第三開關臂。每個預加載電路還包括與電阻 器Ril、Ri3并聯的開關SWil、SWi3，當變換器啟動時這些開關是關斷的，并且一旦輔助電源 AUX和整流器準備正常操作，則這些開關就導通。根據本發(fā)明，整流器的每個晶體管T1-T6都是常開場效應型的(場效應晶體管， FET)。場效應晶體管，如JFET或MOSFET都是所熟知的功率電子開關，其包括控制柵極(G)， 該控制柵極的功能是允許或阻止漏極(D)與源極(S)之間的電流通過。如果柵極與源極 之間的電壓Ves接近零，則這樣的晶體管被稱作為常開型的。這意味著無需控制電壓Ves， 漏-源極通路就是導通的或導電的。當在其柵極與源極之間施加負的控制電壓Ves時，常開 型場效應晶體管將會關斷。JFET型晶體管通過施加例如至少等于-15V的柵-源電壓Ves來 關斷，以及MOSFET晶體管通過施加例如至少等于-5V的電壓Ves來關斷。本發(fā)明的功率變換器中使用的場效應晶體管例如將由寬帶隙材料制成，如碳化硅 或氮化鎵。已知的是，由寬帶隙材料制成的常開型JFET晶體管具有開關速度較快、在導通 狀態(tài)下產生更少的導電損耗(在導通狀態(tài)下具有低的阻抗RdsJ、較好的溫度阻抗特性以及 較小尺寸的優(yōu)點。在下文中的描述和附圖中，使用的晶體管T1-T6都是JFET型的。開關臂的每個場效應晶體管T1-T6由特定的柵極控制器件CT1-CT6來關斷。每個 柵極控制器件CT1-CT6由連接在電源總線的正極導線10和負極導線11之間且位于總線電 容器Cbus上游的輔助電源系統(tǒng)AUX來提供能量(A)，并且為晶體管施加柵極電壓Ve以導通 或關斷晶體管。除了電源(A)之外，每個控制器件CT1-CT6接收來自中央控制系統(tǒng)3的脈 寬調制(PWM)控制信號S1-S6，這些控制信號遵守由中央控制系統(tǒng)3所執(zhí)行的控制規(guī)則。頂 部晶體管T2、T4、T6的每個控制器件CT2、CT4、CT6被連接到其晶體管的開關臂的連接中點 M1、M2、M3，同時底部晶體管Tl、T3、T5的每個控制器件CT1、CT3、CT5被連接到電源總線的 負極導線11。例如，圖2示出了整流器的第一開關臂的晶體管T1、T2的控制器件CT1、CT2。在附 圖中未描述或未示出的在控制器件中使用的部件的標記利用與下面給出的在控制器件CTl 的描述中使用的部件相同的圖之后的符號來選擇。
參考圖2，整流器的底部晶體管Tl的控制器件，如CT1，具體地包括兩個串聯連接 的晶體管Q11、Q21和同樣串聯連接的一組兩個電容器CA1、CB1。該控制器件的輸出一方面 連接到位于兩個晶體管Q11、Q21之間的連接中點P11，另一方面連接到受控晶體管Tl的柵 極。位于兩個電容器CA1、Cbi之間的連接中點P21連接到晶體管Tl的源極S。控制器件的 晶體管Qll是常開型，而控制器件的晶體管Q21是常斷型的。阻斷二極管Dbll與控制器件 的晶體管Q11、Q21串聯布置。輔助電源系統(tǒng)AUX通過二極管Dsll和電感器Lsll為控制器件 CTl供電，該電感器通過產生分別將晶體管Tl導通和關斷所需的電壓Ves w和Ves,而構成 了該輔助電源系統(tǒng)AUX的變壓器的次級線圈。通過電壓Ves w和Ves,，晶體管Qll、Q12為 JFET施加柵極電壓VG以將其關斷或導通。根據本發(fā)明，控制器件還包括連接在控制器件的輸出端OUTl與變換器的輸入端 inl之間的電壓整流元件，其位于預加載電路的電阻器Ril的上游。該電壓整流元件可以是 如圖2所示的二極管Dl 1、閘流晶體管(thyristor)或IGBT或RBIGBT (反向阻斷IGBT)型 的晶體管?？刂破骷芰看鎯υ?，如連接在受控晶體管Tl的源極與位于控制器件的 輸出端OUTl和二極管Dll之間的點之間的電容器C11。此外，如圖2所示，控制器件還包 括連接在二極管Dll與其輸出端OUTl之間的電阻器R11。電阻器Rll具有很大的阻值，如 幾千歐姆。然后，電容器Cll 一方面被連接到晶體管Tl的源極，另一方面被連接到位于電 阻器Rll與二極管Dll之間的點。柵極電阻器Rei還被連接到控制器件的輸出端與晶體管 Tl的柵極G之間。電阻器Rll可被連接到位于柵極電阻器Rei上游或下游的控制器件的輸 出端。最后，控制器件包括齊納二極管Dai，該齊納二極管連接在晶體管Tl的柵極與控制器 件的正電勢之間。齊納二極管Dai用于限制柵_源電壓Vesi,并從而保護形成在受控晶體管 Tl的柵極與源極之間的PN結。具有晶體管T5和T6的第三開關臂的結構與如圖2所示的第一開關臂的結構相 同。除了其中兩個控制器件的輸出端通過電阻器R13、R14和二極管D13、D14連接到變換 器的第一輸入端inl或連接到第三輸入端in3而不是連接到第二輸入端in2之外，第二開 關臂的結構也是相同的。這主要與第二輸入端不包括任何預加載電路的事實有關。當然， 也完全可以在第二輸入端上設置預加載電路，如在變換器的其它輸入端上那樣。在這個配 置結構中，第二開關臂的晶體管T3、T4的控制器件的輸出端將連接到變換器的第二輸入端 in2。對于整流器的開關臂的底部晶體管，可以簡化其中采用的控制器件的結構，如圖3 所示。該簡化結構為所有三個控制器件僅使用單個電容器Cl，而不是為每個控制器件使 用不同的電容器Cl 1、Cl3、Cl5，該電容器Cl連接在晶體管T1、T3、T5的源極S與兩個輸入 端inl和in3之間。相似地，僅使用兩個二極管Dl、D2，而不是使用三個二極管Dll、D13、 D15。在圖3中，包括控制器件的已知部件的部分由簡單的矩形來表示。本發(fā)明的原理在于，當啟動該變換器時或者在輔助電源系統(tǒng)AUX發(fā)生故障的情況 下阻斷常開型的晶體管T1-T6，以特別是避免變換器輸入端的短路或者總線電容器的短路， 從而防止電源總線被電壓所供電。下面，結合圖5所示的曲線和圖4所示的簡要結構來解釋本發(fā)明的操作。如圖4所示，在啟動時，由于所有晶體管都是導通的，因此變換器的輸入端inl、 in2、in3被短路，從而電源總線的負極導線11和正極導線10在同一點上被短路。
在三相變換器中，在如圖4所示的相之間施加電壓VI、V2、V3是熟知的實踐，從而 使得在預加載電阻器Ri 1、Ri3的端子處，在輸入端inl和in3上產生電壓Vinl和Vin3。這 兩個電壓Vinl和Vin3為相移*/3的正弦波電壓，如圖5的第一曲線所示。因此，這兩個電 壓是周期性反向的。在t0時亥lj，電壓Vinl和Vin3例如都是正的，并且二極管Dll到D16因此是阻斷 的。在tl時刻，在特定的延遲時間T之后，電壓Vin3變?yōu)樨摰??？刂破骷﨏T5、CT6的二極 管D15和D16變?yōu)閷?。電容器C15和C16被電壓Vin3充電。由于電壓Vin3是負的，因 此在電容器C15和C16的端子上的電壓Va5和Va6也為負的。同時，第三開關臂的晶體管 T5和T6的柵-源結通過電阻器R15和R16而充有負電壓。當柵-源電壓Ves5和Ves6達到 足夠的負值時，晶體管T5和T6被阻斷。在控制器件中，由于柵-源電壓Ves5和Ves6是負的， 因此阻斷二極管Dbl5、Dbl6變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，并防止漏電流流到控制器件的外部。類似地，當Vinl變?yōu)樨摰臅r，連接到第一開關臂的二極管Dll、D12變?yōu)閷?。?容器Cll和C12因此由電壓Vinl而充有負電荷。在電容器Cll和C12端子處的電壓Vai和 Vci2也為負值。同時，晶體管Tl和T2的柵-源結通過電阻器Rll和R12而充有負電荷。當 柵-源電壓Vesi和Ves2達到特定的負的閾值時，晶體管Tl和T2被關斷。對于第二開關臂來說，取決于其連接到電容器的第一輸入端inl還是第三輸入端 in3，柵-源電壓V㈣和乂㈣在與第一開關臂的那些晶體管同時，或在與第三開關臂的那些晶 體管同時變?yōu)樨摰?。當這些電壓達到負閾值電壓時，晶體管T3和T4被關斷。當整流器的所有晶體管T1-T6都被關斷時，總線電容器Cbus可通過晶體管T1-T6 的內部二極管而充電。一旦總線電容器Cbus被充電，輔助電源系統(tǒng)AUX就將會啟動，然后 晶體管的控制器件CT1-CT6可正常工作，以關斷或導通整流器的晶體管。一旦開關SWil和 Sffi3閉合，整流器就會正常工作。圖3的實施例的操作方式與上面所描述的整流器的底部晶體管T1、T3、T5中的每 個都是相同的。顯然，在不脫離本發(fā)明框架的基礎上，還可以想象其它的變形方式和細節(jié)的改進， 甚至可以考慮使用其它的等效手段。
權利要求
功率變換器，包括 多個輸入端，其一方面連接到能量源，另一方面連接到整流器，所述整流器連接到電源總線，該電源總線具有正極導線(10)和負極導線(11)并且DC電壓(Vbus)被施加到該電源總線上， 總線電容器(Cb)，其被連接到該整流器的下游，且位于該電源總線的正極導線(10)與負極導線(11)之間， 該整流器，包括連接在該電源總線的正極導線(10)與負極導線(11)之間的開關臂，該開關臂包括串聯連接的至少兩個晶體管(T1 T6)，位于該開關臂的兩個晶體管之間的連接中點(M1、M2、M3)通過限流元件連接到該變換器的輸入端(in1、in3)， 常開場效應型晶體管(T1 T6)，每個晶體管由柵極控制器件(CT1 CT6)所控制，其特征在于，每個柵極控制器件包括 連接到該晶體管的柵極(G)的輸出端(OUT1)， 電壓整流器元件，其連接在該控制器件的輸出端與該變換器的輸入端(in1、in3)之間，并位于該限流元件的上游， 電容器(C11)，其連接在該晶體管的源極(S)與位于該控制器件的輸出端和該電壓整流元件之間的點之間。
2.根據權利要求1所述的功率變換器，其特征在于，該柵極控制器件(CT1-CT6)包括與 該電壓整流器元件串聯安裝的電阻器(R11-R16)。
3.根據權利要求1或2所述的功率變換器，其特征在于，該柵極控制器件包括連接在該 晶體管(T1-T6)的柵極(G)與該柵極控制器件的輸出端之間的柵極電阻器(Rei)。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的功率變換器，其特征在于，該柵極控制器件包括 連接在該晶體管(T1-T6)的柵極(G)與該控制器件的正極端子之間的齊納二極管(Dai)。
5.根據權利要求1到4中任一項所述的功率變換器，其特征在于，該晶體管(T1-T6)是 JFET型的。
6.根據權利要求5所述的功率變換器，其特征在于，該晶體管(T1-T6)由碳化硅或氮化 鎵制成。
7.根據權利要求1到6中任一項所述的功率變換器，其特征在于，該變換器包括與該限 流元件并聯安裝的開關(SWil、SWi3)。
8.根據權利要求1到7中任一項所述的功率變換器，其特征在于，該限流元件為電阻器 (Ril、Ri3)。
9.根據權利要求1到8中任一項所述的功率變換器，其特征在于，該電壓整流器元件為 二極管(Dll)。
全文摘要
本發(fā)明涉及功率變換器，其具體地包括整流器，該整流器包括至少一個開關臂，該開關臂具有串聯連接的兩個晶體管(T1-T6)。這些晶體管(T1-T6)是常開場效應型的，如JFET，并且每個由柵極控制器件(CT1-CT6)控制。每個柵極控制器件具體地包括-輸出端(OUT1)，其連接到受控晶體管的柵極(G)，-電壓整流器元件，其連接在控制器件的輸出端與變換器的輸入端(in1、in3)之間，-電容器(C11)，其連接在晶體管的源極(S)與位于該控制器件的輸出端和該電壓整流元件之間的點之間。
文檔編號H02M7/217GK101895218SQ20101021419
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月19日 優(yōu)先權日2009年5月19日
發(fā)明者佩塔·格爾博維克 申請人:施耐德東芝換流器歐洲公司