專(zhuān)利名稱(chēng)：整流電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接成三相電橋、主開(kāi)關(guān)采用四段開(kāi)關(guān)的整流電路。這種整流電路可用在例如電力拖動(dòng)工程(直流電力拖動(dòng))、電池充電器和不斷電電源系統(tǒng)中。
由于直流電力拖動(dòng)可按四個(gè)象限工作(直流電壓大于、等于或小于零，直流電流大于、等于或小于零)，因而采用傳統(tǒng)技術(shù)時(shí)，通常采用可逆變流器[即帶總共12個(gè)硅可控整流器的兩個(gè)反并聯(lián)六脈沖組(整流器，電力變換器)]給它們供電。在此情況下，在從拖動(dòng)狀態(tài)切換到供電狀態(tài)和相反從供電狀態(tài)切換拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，要么就只好接受那無(wú)益的空載時(shí)間，要么就得安裝額外的供電路電流流通用的額外電路電流感應(yīng)線(xiàn)圈，而且還得采用特殊的拖動(dòng)方法。這類(lèi)變換的工作原理表明這樣兩個(gè)問(wèn)題可逆變流器從三相網(wǎng)絡(luò)提取正弦電流，而且?guī)?lái)大量的諧波分量、無(wú)功功率和網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)，從而需要在三相網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置昂貴的濾波器，這是極為不利的。
在中心功率范圍內(nèi)需要消耗三相正弦電流時(shí)，可以采用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)變流器，這種變流器包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)側(cè)PWM(脈寬調(diào)制)整流器和一個(gè)四象限執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PWM調(diào)制法能提供具有可調(diào)功率因數(shù)的正弦網(wǎng)絡(luò)電流。這里需要10個(gè)IGBT連同10個(gè)反向二極管，再加上中間電路中的多個(gè)昂貴而不太可靠的電解電容器。由于強(qiáng)(hard)切換過(guò)程而使開(kāi)關(guān)損耗相當(dāng)大，從而使這類(lèi)變流器在中心功率范圍的最高開(kāi)關(guān)頻率限制在10至20千赫，額定效率在90％左右。
本發(fā)明的目的是提供本說(shuō)明書(shū)開(kāi)頭所述的那種整流電路，這種電路功率密度和額定效率都較高，而且可以提高開(kāi)關(guān)頻率。
上述目的是結(jié)合本發(fā)明電路在本說(shuō)明書(shū)開(kāi)頭所述的那些特點(diǎn)采取下列措施達(dá)到的給主開(kāi)關(guān)并聯(lián)諧振電容器，并在兩個(gè)直流端子之間配備一個(gè)輔助換向裝置連同一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)，輔助開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)成四段開(kāi)關(guān)，且與一個(gè)諧振電感線(xiàn)圈串聯(lián)連接。
本發(fā)明的好處尤其在于，所提供的這種新型整流電路可以采用PWM調(diào)制法，而且開(kāi)關(guān)損耗極低。這種整流電路可以在功率因數(shù)cosφ＝1的情況下從三相網(wǎng)絡(luò)提取正弦電流，在功率因數(shù)cosφ＝-1的情況下將正弦電流饋入網(wǎng)絡(luò)中。此外，開(kāi)關(guān)頻率比一般整流電路高，這可大大簡(jiǎn)化三相網(wǎng)絡(luò)中濾波器的結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明提出的電路的好處是，可用在三相網(wǎng)絡(luò)與直流側(cè)之間在電氣上無(wú)需隔離的所有整流電路應(yīng)用場(chǎng)合。
這里有這樣的好處，即在從拖動(dòng)狀態(tài)切換到供電狀態(tài)和從供電狀態(tài)切換到拖動(dòng)狀態(tài)的過(guò)程中，既不需要觀(guān)測(cè)空載時(shí)間，也無(wú)需特殊的拖動(dòng)方法或額外的電路電流電感線(xiàn)圈。
功率半導(dǎo)體比起PWM整流四象限執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜其IGBT和二極管[或GTO(門(mén)關(guān)斷晶閘管)]就分別各為12個(gè)，額定電流減小33％，有兩個(gè)IGBT和兩個(gè)二極管(或兩個(gè)GTO硅可控整流器或高速硅可控整流器)其額定電流非常小，體積大致相同。額定電流之所以減小33％是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)組的各主開(kāi)關(guān)實(shí)際上并行開(kāi)關(guān)所致。然而，本發(fā)明提出的整流電路需用的無(wú)源元件基本上較少，例如，由于能量轉(zhuǎn)換是單級(jí)式的，因而直流側(cè)沒(méi)有電容器。此外，由于并關(guān)頻率提高了，因而簡(jiǎn)化了濾波器的結(jié)構(gòu)。另外，由于這個(gè)原理，因而開(kāi)關(guān)損耗低，導(dǎo)致冷卻費(fèi)用減少，且額定效率提高。
下面就附圖中所舉的實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。附圖中

圖1示出了準(zhǔn)諧振器整流器(經(jīng)改進(jìn)的矩陣變流器)的電路；圖2示出了60度輸入電壓區(qū)間的示意圖；圖3示出了準(zhǔn)諧振整流器的脈沖模式表；圖4示出了一個(gè)電壓區(qū)間(電壓區(qū)間6)中ARCP換向的電流和電壓波形；
圖5示出了一個(gè)電壓區(qū)間(電壓區(qū)間6)中準(zhǔn)諧振整流器的開(kāi)關(guān)電壓和開(kāi)關(guān)組電流。
圖1示出了準(zhǔn)諧振整流器(經(jīng)改進(jìn)的矩陣變流器)的電路，(至于矩陣變流器，可參看例如B.S.Bemet，T Matsuo，T.A.Lipo等人在1996年6月《IEEE-PESC會(huì)議記錄，Baveno》第107頁(yè)至113頁(yè)發(fā)表的題為“采用反向阻斷NPT-IGBT和最佳化的脈沖模式的矩陣變流器”的文章)。各相帶濾波電感線(xiàn)圈LF1、LF2、LF3、各相之間接有濾波電容器CF1、CF2、CF3的三相濾波器一方面接網(wǎng)絡(luò)電壓為U1、U2、U3的三相網(wǎng)絡(luò)，另一方面接整流器的兩個(gè)分別為三相的開(kāi)關(guān)組。整流器或兩個(gè)開(kāi)關(guān)組相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)星中點(diǎn)的輸入電壓為U1、U2、U3(通稱(chēng)UI)，相間電壓為UI12、UI23、UI31。整流器和開(kāi)關(guān)組的輸入電流用iI1、iI2、iI3表示。
第一開(kāi)關(guān)組有三個(gè)主開(kāi)關(guān)SI1、SI2、SI3，每個(gè)開(kāi)關(guān)接一相。諧振電容器Cr11，Cr12，Cr13與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)連接。開(kāi)關(guān)電壓(諧振電容器處的電壓)為Uc11、Uc12、Uc13。主開(kāi)關(guān)S11、S12、S13的輸出端彼此相連接，流經(jīng)公共輸出端的開(kāi)關(guān)組電流用isg1表示，此第一開(kāi)關(guān)組的輸出電壓用Uo1表示。
第二開(kāi)關(guān)組也有三個(gè)主開(kāi)關(guān)S31、S32、S33，每個(gè)接一相。諧振電容G31，Cr32，Cr33與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)連接。主開(kāi)關(guān)S31、S32、S33的輸出端彼此相連接，流經(jīng)公共輸出端的開(kāi)關(guān)組電流用isg3表示，此第二開(kāi)關(guān)組的輸出電壓用Uo3表示。
兩開(kāi)關(guān)組的輸出端可經(jīng)輔助換向裝置帶串聯(lián)連接的諧振電感線(xiàn)圈Lr3的輔助開(kāi)關(guān)AS31彼此相連接。流經(jīng)輔助換向裝置的電流用is31表示。
輔助換向裝置與兩開(kāi)關(guān)組的輸出端的連接點(diǎn)形成整流器的負(fù)荷端，負(fù)荷端之間的電壓為Uo31，輸出電流io1和io3即流經(jīng)負(fù)荷端。負(fù)荷電感為L(zhǎng)d。負(fù)荷電壓(＝直流電壓)為Ud。
圖1的左邊部分例舉了主開(kāi)關(guān)(四段開(kāi)關(guān))S11、S12、S13、S31、S32、S33(通稱(chēng)S)和輔助開(kāi)關(guān)(四段開(kāi)關(guān))AS31(通稱(chēng)AS)的設(shè)計(jì)。從圖中可以看到，四段開(kāi)關(guān)包括兩個(gè)IGBT半導(dǎo)體T1、T2和兩個(gè)反向二極管D1、D2，D1和T1在一邊，D2和T2在另一邊，各自并聯(lián)連接，兩并聯(lián)電路則串聯(lián)連接。形成輔助開(kāi)關(guān)AS31的兩個(gè)IGBT半導(dǎo)體和反向二極管其大小取得使其額定電流基本上小于形成主開(kāi)關(guān)S11……S33的各元件的額定電流。
不然，四段主開(kāi)關(guān)S也可采用其它可自動(dòng)斷開(kāi)的功率半導(dǎo)體元件(例如GTO，MOSFET，雙極晶體管或MCT)，必要時(shí)可采用二極管。與此相反，四段輔助開(kāi)關(guān)AS另一方面也可以采用能自動(dòng)接通的功率半導(dǎo)體元件(例如，硅可控整流器，GTO，MCT，MOSFET或雙極晶體管)，必要時(shí)可采用二極管。在功率上限范圍內(nèi)，尤其可以在主開(kāi)關(guān)采用12個(gè)可阻斷的GTO或在輔助開(kāi)關(guān)中采用兩個(gè)額定電流較小的可阻斷高速硅可控整流器，在各種情況下，兩個(gè)GTO硅可控整流器與兩個(gè)高速硅可控整流器并聯(lián)連接。
在一般強(qiáng)切換的矩陣變流器中，通常換向有一半是在感性和半容性的狀態(tài)下進(jìn)行的。這里，感性換向(正功率梯度)是通過(guò)四段開(kāi)關(guān)的有源接通過(guò)程啟動(dòng)，通過(guò)反向電流消失過(guò)程中斷開(kāi)四段開(kāi)關(guān)的無(wú)源斷開(kāi)過(guò)程終止的。與此相反，容性換向(負(fù)功率梯度)是通過(guò)四段開(kāi)關(guān)的有源斷開(kāi)過(guò)程引發(fā)，通過(guò)參與換向的四段開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)電壓大致為零時(shí)的無(wú)源接通過(guò)程終止的。若采用M.G.B Venturini和A.Alesina在1988年《IEEE-PESO會(huì)議記錄》第1284頁(yè)至1291頁(yè)發(fā)表的題為“9開(kāi)關(guān)直接PWM-交流-交流變流器的固有振幅極限和最佳設(shè)計(jì)”一文中所述的驅(qū)動(dòng)方法用來(lái)驅(qū)動(dòng)矩陣變流器，可以在輸入側(cè)產(chǎn)生功率因數(shù)可調(diào)的正弦電流和可能有的最大電壓傳輸比。但由于這種算法只確定脈沖占空因數(shù)，因而倘若變流器是一般強(qiáng)切換的矩陣變流器，也需要最佳化自由度，即脈沖模式。
在本發(fā)明提出的在圖1用作整流器的準(zhǔn)諧振矩陣變流器中，換向裝置的作用確定了開(kāi)關(guān)順序和脈沖模式。
假設(shè)輸入電壓是對(duì)稱(chēng)的，Ui1＝Ui·cos(ωit+θi)Ui2＝Ui·cos(ωit+θi-120°)Ui3＝Ui·cos(ωit+θi+120°)其中ωi=2·π·fi=2·πTi]]>Ui＝輸入電壓的振幅ωi＝網(wǎng)絡(luò)角頻率θi＝位移角fi＝網(wǎng)絡(luò)頻率Ti＝網(wǎng)絡(luò)周期長(zhǎng)度則可以確定6個(gè)電壓區(qū)間1至6(U1區(qū)間)，在該區(qū)間中，三個(gè)相間電壓Ui12、Ui23和Ui31的極性都不變。圖2示出了這方面輸入電壓Ui1、Ui2、Ui3和各相間電壓隨時(shí)間而變化的情況。位移角θi＝0時(shí)，可以得出下列電壓區(qū)間電壓區(qū)間1 0°≤ωit≤60°電壓區(qū)間2 60°≤ωit≤120°電壓區(qū)間3 120°≤ωit≤180°電壓區(qū)間4 180°≤ωit≤240°電壓區(qū)間5 240°≤ωit≤300°電壓區(qū)間6 300°≤ωit≤360°從圖3準(zhǔn)諧振整流器的脈沖模式一覽表中可以看到，在1至6的6個(gè)電壓區(qū)間(Ui區(qū)間)的每一個(gè)中，無(wú)論輸出電流io1，io3為正還是負(fù)(iox＞0，iox＜0；x＝1，3)，總是有在開(kāi)關(guān)頻率fs的一個(gè)周期Ts期間產(chǎn)生兩次容性換向和一次ARCP換向(ARCP＝輔助諧振換向極)的脈沖模式?！罢颉遍_(kāi)關(guān)順序以F表示(從S11至S12至S13至S11等的換向，和從S31至S32至S33至S31等的換向)，“反向”開(kāi)關(guān)順序用B表示(從S11至S13至S12至S11等的換向和從S31至S33至S32至S31等的換向)。這里，ARCP換向?yàn)槿菪該Q向，是通過(guò)變換感性換向進(jìn)行的。變換感性換向是用帶輔助開(kāi)關(guān)AS31的輔助換向裝置調(diào)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)組電流isg1和isg3的極性進(jìn)行的。
然而，在兩個(gè)開(kāi)關(guān)組中進(jìn)行ARCP換向不僅需要用圖3一覽表中規(guī)定的開(kāi)關(guān)順序，而且還需要使開(kāi)關(guān)組中在時(shí)間Ts期間的兩個(gè)ARCP換向同步。若采用一覽表的脈沖模式，則第一脈沖占空因數(shù)最短的開(kāi)關(guān)組激發(fā)兩開(kāi)關(guān)組中的ARCP換向。于是在時(shí)間Ts結(jié)束時(shí)，仍然留在第一脈沖占空因數(shù)較長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)組的脈沖占空因數(shù)分量起作用。
然而，作為圖3一覽表中規(guī)定的脈沖模式的另一種選擇，也可以在時(shí)間Ts結(jié)束時(shí)使ARCP換向與同一開(kāi)關(guān)順序同步。
下面就參閱圖4舉例說(shuō)明在某一電壓區(qū)間(電壓區(qū)間6)進(jìn)行ARCP換向時(shí)的電流和電壓波形。兩開(kāi)關(guān)組中的ARCP換向是通過(guò)有源接通輔助開(kāi)關(guān)AS31(ia31上升)啟動(dòng)的。由于輔助支路AS31-Lr3兩端電壓的極性，流經(jīng)輔助換向裝置的電流Ia31的絕對(duì)值如開(kāi)關(guān)組電流isg1和isg3絕對(duì)值減小而同樣的程度增加，最后改變其極性。達(dá)到負(fù)升壓電流-ib時(shí)，兩開(kāi)關(guān)組中導(dǎo)通的主開(kāi)關(guān)同時(shí)(同步)有源斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)組電流isg1，isg3則開(kāi)始換向進(jìn)入相應(yīng)開(kāi)關(guān)組的三個(gè)諧振電容器Crxy(x＝1，3；y＝1，2，3)中。
接著，諧振電容器在振蕩過(guò)程中再充電，從而使兩開(kāi)關(guān)組待接通的主開(kāi)關(guān)可有利地?zé)o源接通，在開(kāi)關(guān)電壓為零時(shí)損耗極低。由于輔助換向裝置兩端的電壓Uo31在振蕩過(guò)程中改變其極性(從Ui12改變?yōu)?Ui12)，因而輔助換向裝置中電流ia31的絕對(duì)值在新的主開(kāi)關(guān)接通之后減小，且開(kāi)關(guān)組電流isg1、isg3趨近其穩(wěn)態(tài)值。最后輔助開(kāi)關(guān)AS31在反向電流消失過(guò)程中斷開(kāi)時(shí)，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。
ARCP換向的換向電壓的絕對(duì)值總是最大相間電壓的絕對(duì)值，因而大大簡(jiǎn)化了諧振電容器Crxy和諧振電感線(xiàn)圈Lr3規(guī)格的選取。
除ARCP換向外，在兩開(kāi)關(guān)組的每一個(gè)中在各開(kāi)關(guān)頻率周期中還分別進(jìn)行著自然容性換向，這些換向無(wú)需同步化(參看表中用c表示的換向)。
圖5舉例展示了主開(kāi)關(guān)S11至S13的開(kāi)關(guān)電壓Uc13、Uc12和Uc11以及電壓區(qū)間6中的開(kāi)關(guān)組電流isg1。由于輸出電流io1為正，因而脈沖模式S12/S11/S13/S12取圖3一覽表的模式(參看表中x＝1時(shí)的倒數(shù)第二行)。在t1之前的時(shí)間，主開(kāi)關(guān)S12導(dǎo)通，在t2和t3之間的一段時(shí)間，主開(kāi)關(guān)S11導(dǎo)通，在t4與t5之間的時(shí)間，主開(kāi)關(guān)S13導(dǎo)通，在t6之后的時(shí)間主開(kāi)關(guān)S12再次導(dǎo)通。
開(kāi)關(guān)組電流isg1極性的改變(這方面還可參閱圖4中極性變化下isg1的波形)使輸出電流io1在輔助開(kāi)關(guān)AS31的配合下從主開(kāi)關(guān)S12ARCP換向到主開(kāi)關(guān)S11。接著，輸出電流io1從主開(kāi)關(guān)S11換向到主開(kāi)關(guān)S13，從主開(kāi)關(guān)S13換向到主開(kāi)關(guān)S12，這兩個(gè)換向是自然容性換向(圖3表中用c表示)，無(wú)需驅(qū)動(dòng)輔助換向裝置進(jìn)行。
因此，各主開(kāi)關(guān)中的開(kāi)關(guān)過(guò)程的好處是，完全是容性開(kāi)關(guān)過(guò)程(即在開(kāi)關(guān)電壓為零的情況下有源斷開(kāi)、無(wú)源接通)，且主開(kāi)關(guān)S11、S12、S13和S31、S32和S33作為零電壓開(kāi)關(guān)ZVS工作。另一方面，輔助換向裝置的輔助開(kāi)關(guān)AS31只進(jìn)行感性開(kāi)關(guān)(即在反向電流消失過(guò)程中有源接通、無(wú)源斷開(kāi))。因此，此輔助開(kāi)關(guān)AS31作為零電流開(kāi)關(guān)ZCS工作。由于輔助開(kāi)關(guān)AS31只讓短電流脈沖導(dǎo)通，因而其額定電流能基本上小于主開(kāi)關(guān)的額定電流。
如果將諧振電容值提高到半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的輸出電容規(guī)定的最小值以外可以降低零電壓開(kāi)關(guān)ZVS的開(kāi)關(guān)損耗。提高諧振電感值Lr3可以緩和輔助開(kāi)關(guān)AS31的接通過(guò)程。升壓電流ib應(yīng)取得使其饋入振蕩電路中的附加能量明顯超過(guò)振蕩過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。提高諧振電感值Lr3可以減緩輔助開(kāi)關(guān)AS31的接通過(guò)程。升壓電流ib應(yīng)取得使其饋入振范電路中的附加能量明顯超過(guò)振蕩過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。
與傳統(tǒng)的矩陣變流器的整流電路相比，上述諧振整流電路不僅可以使開(kāi)關(guān)損耗小，而且還可以簡(jiǎn)單的方式保護(hù)變流器。舉例說(shuō)，變流器的一個(gè)或兩個(gè)開(kāi)關(guān)組發(fā)生短路時(shí)，若輔助開(kāi)關(guān)AS31在主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后直接有源接通，則可以使所有主開(kāi)關(guān)S11、S12、S13、S31、S32、S33有功斷開(kāi)。于是可能流通的負(fù)荷電流可以流入輔助換向裝置現(xiàn)有的續(xù)流電路。在此情況下，輔助開(kāi)關(guān)AS31的規(guī)格應(yīng)取得使其不僅在穩(wěn)態(tài)情況下而且也應(yīng)在故障情況下因短電流脈沖而動(dòng)作時(shí)讓續(xù)流負(fù)荷電流導(dǎo)通。
權(quán)利要求
1.一種整流電路，接成三相電橋，以多個(gè)四段開(kāi)關(guān)作為主開(kāi)關(guān)(S11、S12、S13、S31、S32、S33)，其特征在于，在各情況下，主開(kāi)關(guān)都和諧振電容器(Cr11、Cr12、Cr13、Cr31、Cr32、Cr33)并聯(lián)連接，且在兩個(gè)直流端子之間配備了與諧振電感線(xiàn)圈(Lr3)串聯(lián)連接的輔助換向裝置連同設(shè)計(jì)成四段開(kāi)關(guān)的輔助開(kāi)關(guān)(AS31)。
2.如權(quán)利要求1所述的整流電路，其特征在于，在各情況下都配備有兩個(gè)串聯(lián)連接的并聯(lián)電路，并聯(lián)電路由IGBT半導(dǎo)體(T1、T2)與反向二極管(D1、D2)并聯(lián)連接組成，作為主開(kāi)關(guān)和/或輔助開(kāi)關(guān)。
3.如權(quán)利要求1所述的整流電路，其特征在于，在各情況下，主開(kāi)關(guān)配置兩個(gè)并聯(lián)連接的可阻斷GTO硅可控整流器，且輔助開(kāi)關(guān)中配備有兩個(gè)并聯(lián)的可阻斷GTO硅可控整流器或高速硅可控整流器。
全文摘要
一種整流電路,接成三相電橋,主開(kāi)關(guān)(S
文檔編號(hào)H02M7/12GK1175814SQ9711778
公開(kāi)日1998年3月11日 申請(qǐng)日期1997年8月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月29日
發(fā)明者S·貝爾內(nèi) 申請(qǐng)人:Abb.專(zhuān)利有限公司