CN101447753A - 电压钳位与能量恢复电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于旋转或直线电机的定子绕组的电压钳位与能量恢复电路，包括：具有相同数量的开关级的电子转换电路，每个开关级连接在各自的一个公共耦合点与第一主要直流线路和第二主要直流线路之间。每个开关级包括：能由门控导通和关断的第一逆阻半导体功率器件和第二逆阻半导体功率器件。电压钳位电路包括：相同数量的钳位级，每个钳位级都连接在各自的一个公共耦合点与第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间。每个钳位级包括第一二极管和第二二极管。电压钳位电路还包括第一电容器和第二电容器。能量恢复电路包括用于选择性地使得第一电容器和第二电容器向第一主要直流线路和第二主要直流线路放电的直流－直流转换器装置。
Description
技术领域
本发明涉及电压钳位与能量恢复电路，尤其涉及在电子转换电路的输出半导体开关器件全部通过门控来进行转换的强制转换处理期间，对在开关辅助网络(缓冲器)中另外以发热形式消耗的能量进行恢复的电路。
背景技术
英国专利申请2433360公开了一种用于电机定子绕组的电子转换电路。定子绕组包括多个通过相同数量的公共耦合点链接的线圈。电子转换电路包括相同数量的开关级，每个开关级连接在各自的一个公共耦合点与第一直流线路和第二直线线路之间。每个开关级包括能通过门控导通和关断的第一逆阻半导体功率器件，其阳极连接到第一直流线路，还包括能通过门控导通和关断的第二逆阻半导体功率器件，其阴极连接到第二直流线路。
半导体功率器件的优选类型是逆阻门极关断晶闸管(RB-GTO)或者RB-GTO衍生物，这是因为由于其内部再生特性，这些逆阻门极关断晶闸管相比诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)之类的其他门极转换器件系列具有较小的导通状态损耗。
逆阻半导体功率器件被用来替代传统晶闸管，这意味着电子转换电路可以强制进行电流的转换，而不考虑定子绕组的电压。
电子转换电路还可以包括与每个半导体功率器件并行连接的开关辅助网络(缓冲器)。缓冲器可以是串联连接的电阻电容或者可以如英国专利申请2433360的附图所示根据公知工业标准“RCDPolarised Snubber”来配置。任一类型的缓冲器的目的有助于强制的转换处理并且减小功率半导体器件中的开关损耗。然而，在强制转换处理期间对输出RB-GTO进行开关操作时缓冲器内部的能量损耗代表了可观的能量损耗并且降低了电子转换电路的整体效率。
发明内容
本发明提供了一种对将在开关辅助网络(缓冲器)中被另外消耗的能量进行恢复并且将其返回到电子系统的另一部分或者将其消耗在能更容易控制热量的其他地方的方法。更具体地说，本发明提供了一种用于电机的定子绕组的电路，定子绕组包括多个通过相同数量的公共耦合点链接的线圈，该电路包括：
电子转换电路，其具有相同数量的开关级，每个开关级连接在各自的一个公共耦合点与第一主要直流线路和第二主要直流线路之间，并且每个开关级包括：
第一逆阻半导体功率器件，其能够通过门控导通和关断，其阴极连接到第一主要直流线路；和
第二逆阻半导体功率器件，其能够通过门控导通和关断，其阳极连接到第二主要直流线路；并且该电路还包括：
电压钳位电路，其包括：
相同数量的钳位级，每个钳位级都连接在各自的一个公共耦合点与第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间，每个钳位级包括其阴极连接到第一辅助直流线路的第一二极管和其阳极连接到第二辅助直流线路的第二二极管；
第一电容器，其连接在第一主要直流线路和第一辅助直流线路之间；和
第二电容器，其连接在第二主要直流线路和第二辅助直流线路之间；并且该电路还包括：
用于选择性地使得第一电容器和第二电容器放电的装置。
本发明的优点在于，电压钳位电路的第一电容器和第二电容器被所有的单个钳位级共用。钳位级的二极管有效地取代了传统电子转换电路中的开关辅助网络和缓冲元件。因此，本发明的电压钳位与能量恢复电路具有相对少的电气元件，这意味着较低的硬件成本和改进的可靠性。
第一电容器和第二电容器可以有选择地(优选地，通过基本上无损耗的放电路径)对与电机相关的电子系统的任何适合部分或者系统的另一部分放电。优选地，可选择性地使得第一电容器和第二电容器进行放电的装置是用于对存储在第一电容器和第二电容器中的能量进行恢复的能量恢复电路。优选地，能量恢复电路通常包括直流-直流转换器装置，用于有选择地使得第一电容器对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的一条线路放电，并且有选择地使得第二电容器对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的另一条线路放电。例如，布置在第一主要直流线路和第一辅助直流线路之间的第一电容器可以根据直流电压极性有选择地对第一主要直流线路或第二主要直流线路放电。
电压钳位电路还可以包括连接在第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间的第三电容器。
电压钳位电路还可以包括连接在第一主要直流线路和第一辅助直流线路之间的多个第一电容器以及连接在第二主要直流线路和第二辅助直流线路之间的多个第二电容器。
该电路通常包括第一直流端和第二直流端，第一直流端连接到第一主要直流线路，而第二直流端连接到第二主要直流线路。在电机可以用于发电模式的情况下，优选地，该电路包括连接在第一直流端和第二直流端之间的串联连接的晶闸管和电阻器。
在第一种布置中，直流-直流转换器装置可以包括串联连接在第一辅助直流线路和第二主要直流线路之间的第一半导体功率器件和第一电感器；串联连接在第二辅助直流线路和第一主要直流线路之间的第二半导体功率器件和第二电感器；以及第三半导体功率器件，其阴极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点，其阳极连接到第二半导体功率器件和第二电感器之间的结点。直流-直流转换器装置的第一半导体功率器件的阳极优选地连接到第一辅助直流线路，而直流-直流转换器装置的第二半导体功率器件的阴极优选地连接到第二辅助直流线路。
在第二种布置中，直流-直流转换器装置可以包括串联连接在第一辅助直流线路和第一主要直流线路之间的第一半导体功率器件和第一电感器；串联连接在第二辅助直流线路和第二主要直流线路之间的第二半导体功率器件和第二电感器；以及第三半导体功率器件，其阴极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点，而其阳极连接到第二半导体功率器件和第二电感器之间的结点。直流-直流转换器装置的第一半导体功率器件的阳极优选地连接到第一辅助直流线路，而直流-直流转换器装置的第二半导体功率器件的阴极优选地连接到第二辅助直流线路。
直流-直流转换器装置的第一布置和第二布置的第三半导体功率器件根据电机想要工作的模式可以是二极管或者晶闸管。例如，如果电机被设计成仅工作在电动模式，则第三半导体功率器件通常是二极管并且不需要门控信号。然而，如果电机还将工作在发电模式(即时只有很短时间)，则第三半导体功率器件通常是晶闸管并且需要门控信号。
在第三种布置中(电机被设计成工作在电动和发电两种模式下操作的情况)，直流-直流转换器装置可以包括连接到第二主要直流线路的第一电感器、连接到第一主要直流线路的第二电感器、连接在第一辅助直流线路和第一电感器之间的第一半导体功率器件、连接在第二辅助直流线路和第二电感器之间的第二半导体功率器件、连接在第一辅助直流线路和第二电感器之间的第三半导体功率器件、连接在第二辅助直流线路和第一电感器之间的第四半导体功率器件、其阴极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点而其阳极连接到第二半导体功率器件和第二电感器之间的结点的第五半导体功率器件、以及其阴极连接到第二半导体功率器件和第二电感器之间的结点而其阳极连接到第四半导体功率器件和第一电感器之间的结点的第六半导体功率器件。直流-直流转换器装置的第一半导体功率器件和第三半导体功率器件的阳极优选地连接到第一辅助直流线路，而直流-直流转换器装置的第二半导体功率器件和第四半导体功率器件的阴极优选地连接到第二辅助直流线路。直流-直流转换器装置的第五半导体功率器件和第六半导体功率器件优选是晶闸管。
如果能量恢复电路的直流-直流转换器装置是谐振式直流-直流转换器装置，则在有些情况下会很有优势。在第四种(谐振式)布置中，直流-直流转换器装置可以包括串联连接在第一辅助直流线路和第二主要直流线路之间的第一电感器和第一电容器；串联连接在第二辅助直流线路和第一主要直流线路之间的第二电感器和第二电容器、串联连接在第一辅助直流线路和第一电感器同第一电容器间结点之间的第一半导体功率器件和第三电感器，以使得第一半导体功率器件和第三电感器与第一电容器并联连接；串联连接在第二辅助直流线路和第二电感器同与第二电容器间结点之间的第二半导体功率器件和第四电感器，以使得第二半导体功率器件和第四电感器与第二电容器并联连接；以及其阴极连接到第一电感器和第一电容器之间的结点而其阳极连接到第二电感器和第二电容器之间的结点的第三半导体功率器件。
在直流-直流转换器的第四种布置中：
·可将第一半导体功率器件的阳极连接到第三电感器，而将第一半导体功率器件的阴极连接到第一电感器和第一电容器之间的结点；或者
·可将第二半导体功率器件的阴极连接到第二辅助直流线路，而将第二半导体功率器件的阳极连接到第四电感器；以及
·可将第一半导体功率器件的阳极连接到第一辅助直流线路，而将第一半导体功率器件的阴极连接到第三电感器；或者
·可将第二半导体功率器件的阴极连接到第四电感器，而将第二半导体功率器件的阳极连接到第二电感器和第二电容器之间的结点。
在第五种布置中，能量恢复电路可以包括第一直流-直流转换器装置，其用于使得第一电容器选择性地对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的一条线路放电，还包括第二直流-直流转换器装置，其用于使得第二电容器选择性地对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的另一条线路放电。第一直流-直流转换器装置可以包括串联连接在第一辅助直流线路和第二主要直流线路之间的第一半导体功率器件和第一电感器，以及其阴极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点而其阳极连接到第二主要直流线路的第二半导体功率器件。类似地，第二直流-直流转换器装置可以包括串联连接在第二辅助直流线路和第一主要直流线路之间的第一半导体功率器件和第一电感器，以及其阳极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点而其阴极连接到第一主要直流线路的第二半导体功率器件。在这两种情况下，根据电机是否被设计成仅工作在电动模式，第二半导体功率器件可以是二极管或者晶闸管。
实际上，容易理解的是，可以使用任何适合的直流-直流转换器装置(谐振式和非谐振式)，并且本发明并非限定为上述特定布置。
如果情况合适的话，可以根据例如脉宽调制(PWM)策略或者脉冲周期调制(PPM)策略来控制半导体功率器件。
本发明还提供了一种电机，包括移动部分、定子、具有多个由相同数量的公共耦合点而链接的线圈的定子绕组、以及上述电路，其中电子转换电路的每个开关级连接在各自的一个公共耦合点与第一主要直流线路和第二主要直流线路之间，而电压钳位电路的每个钳位级连接在各自的一个公共耦合点与第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间。
电机可以是任何合适类型的旋转或者直线电机。旋转或者直线电机可以由任何适合的装置激励，而激励的类型不会影响能量恢复电路的基本操作原理和益处。因此，该电路可用于具有集电环或者无刷磁场系统的同步电机，具有传统或者高温超导或低温超导磁场绕组的同步电机，具有沿径向、轴向和横向磁通定向并采用传统结构、反结构(inside-out)和双面结构的永磁转子的同步电机。该电路还可用于感应式电机。直线电机可用于本质上通过往复运动获得能量的应用，例如波能发电机。
旋转或者直线电机可被设计成工作在电动模式和/或发电模式。
在旋转电机情况下，移动部分通常被称为转子，而在直线电机的情况下，移动部分通常被称为变换器。尽管通常使用转子或定子的旋转电机术语来描写专利申请，但是容易理解的是，本发明的电路同样适于用于不同术语的其他类型的电机。
第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间的电压对于电机的所有操作状态来说基本上可以是恒定的，或者可以根据电机的操作状态进行变化。
本发明还提供了一种从用于电机定子绕组的电子转换电路中恢复能量的方法，该定子绕组具有多个通过相同数量的公共耦合点而链接的线圈，电子转换电路具有相同数量的开关级，每个开关级连接在各自的一个公共耦合点与第一主要直流线路和第二主要直流线路之间，并且每个开关级包括：
第一逆阻半导体功率器件，其能够通过门控导通和关断，其阴极连接到第一主要直流线路；和
第二逆阻半导体功率器件，其能够通过门控导通和关断，其阳极连接到第二主要直流线路；
该方法包括步骤：
当开关级的第一逆阻半导体功率器件或者第二逆阻半导体功率器件之一通过门控被关断时，利用流经所述第一逆阻半导体功率器件或者第二逆阻半导体功率器件之一的电流来给电容器充电；以及
使电容器选择性地放电。
优选地，由用于对存储在电容器中的能量进行恢复的能量恢复电路来使电容器选择性地放电。优选地，能量恢复电路通常包括直流-直流转换器装置，可以如上对其进行配置。例如，直流-直流转换器装置可以是谐振式直流-直流转换器装置或者是根据电机想要的操作模式而专用的。
例如，电容器可以有选择地对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的一条线路或者对系统的另一部分进行放电。
本方法还可以包括对电容器上的电压进行监测以确定有关电机的运行特征的信息的步骤。
附图说明
图1是示出了没有直流-直流转换器的根据本发明的电压钳位与能量恢复电路的简化版的原理图；
图2是示出了具有一种直流-直流转换器的第一电压钳位与能量恢复电路的原理图，这种直流-直流转换器特别适合于仅工作在电动模式的电机；
图3A-图3C是示出了用于电动应用的转换、电压钳位与能量恢复处理的原理图；
图4是示出了具有一种直流-直流转换器的第二电压钳位与能量恢复电路的原理图，这种直流-直流转换器特别适合于通常工作在电动模式但是偶尔可能需要工作在发电模式的电机；
图5是示出了具有一种直流-直流转换器的第三电压钳位与能量恢复电路的原理图，这种直流-直流转换器特别适合于通常工作在发电模式的电机；
图6是示出了具有多个电容器和一种直流-直流转换器的第四电压钳位与能量恢复电路的原理图，这种直流-直流转换器特别适合于通常工作在发电模式的电机；
图7是示出了具有一种直流-直流转换器的第五电压钳位与能量恢复电路的原理图，这种直流-直流转换器特别适合于既能工作在电动模式也能工作在发电模式的电机；
图8是示出了具有谐振式直流-直流转换器的第六电压钳位与能量恢复电路的原理图，该谐振式直流-直流转换器特别适合于通常工作在电动模式但是偶尔可能需要工作在发电模式的电机；
图9是示出了针对每个辅助直流线路具有分别的直流-直流转换器的第七电压钳位与能量恢复电路的原理图，该直流-直流转换器特别适合于通常工作在电动模式但是可能偶尔需要工作在发电模式的电机。
具体实施方式
如图1所示，旋转电机的定子绕组包括八个串联连接的线圈，而实际应用中可能使用更多的线圈。每个线圈具有由于电场和电机转子(未示出)旋转而在线圈中产生的相同但存在相移的电动势(EMF)。
每对相邻线圈结合于公共耦合点。从图1可以看出，第一线圈SC1通过第一公共耦合点PCC1连接到第二线圈SC2并且连接到一对门极关断晶闸管(GTO)开关GTO1和GTO2。开关GTO1的阴极通过第一主要直流线路DC1连接到第一直流端，GTO2的阳极通过第二主要直流线路DC2连接到第二直流端。第二线圈SC2通过第二公共耦合点PCC2连接到第三线圈SC3并且连接到一对GTO开关GTO3和GTO4。开关GTO3的阴极通过第一主要直流线路DC1连接到第一直流端，开关GTO4的阳极通过第二主要直流线路DC2连接到第二直流端。其余的线圈以对应的方式连接到第一主要直流线路DC1和第二主要直流线路DC2。
每对GTO开关代表电子转换电路的一个单个开关级。
第一直流端和第二直流端连接到适当的直流电源(未示出)，诸如晶闸管桥、矩阵转换器、电池或者直流发电机。在有些情况下，由于转换器通常运行在恒流模式下，所以将需要如图2-图8所示的直流链路电感器LDC。
在图2中，为了清楚起见省略了定子绕组串联连接的线圈，但是容易理解的是，它们在公共耦合点之间延伸。换言之，第二线圈SC2在与开关GTO1和GTO2相关联的第一公共耦合点PCC1和与开关GTO3和GTO4相关联的第二公共耦合点PCC2之间延伸。
在电机运行期间，直流电流在圆形阵列中第一点流入定子绕组，在圆形阵列的第二点流出定子绕组。第二点被布置为近似与第一点相差180电度。因此绕组电流在第一点分支成两个近似相同的路径，而在第二点汇合。为了实现转换，第一点或者第二点的定位必须沿阵列标记为一级。GTO开关全部通过门控进行转换，如英国专利申请2433360中更详细所述，其中流入输出GTO开关的电流，被转移到输入GTO开关。
电压钳位和能量恢复电路提供三种附加功能，即(i)在输出GTO开关关断(即，传统开关辅助网络(缓冲器)操作)时用于流入该开关的任意电流的替代路径；(ii)对输出GTO开关关断时可能产生的电压进行电压钳位操作；以及(iii)对通常在传统缓冲器中被消耗的能量进行存储的有效装置，使得该能量返回到电气系统的某些其他部分。如图1和2所示，每个公共耦合点连接到一对二极管。第一公共耦合点PCC1连接到一对二极管D1和D2。二极管D1的阴极连接到第一辅助直流线路DC3，二极管D2的阳极连接到第二辅助直流线路DC4。第二公共耦合点PCC2连接到一对二极管D3和D4。二极管D3的阴极连接到第一辅助直流线路DC3，二极管D4的阳极连接到第二辅助直流线路DC4。其余公共耦合点以对应的方式连接到第一辅助直流线路DC3和第二辅助直流线路DC4。
每对二极管代表电压钳位与能量恢复电路的一个单个钳位级，并且取代了与GTO器件相关的传统开关辅助网络(缓冲器)元件。然而，对允许电压钳位电路中的寄生电感的实际考虑意味着，针对每个GTO器件来说可能还需要小缓冲器(未示出)。这种小缓冲器比没有电压钳位与能量恢复电路的传统缓冲器具有较小的损耗。对于电机的定子绕组具有用n个公共耦合点串联连接的n个线圈的一般情况来说，将容易理解的是，电子转换电路具有n个开关级，能量恢复电路具有n个钳位级。
电压钳位与能量恢复电路还包括连接在第一主要直流线路DC1和第一辅助直流线路DC3之间的第一电容器C1以及连接在第二主要直流线路DC2和第二辅助直流线路DC4之间的第二电容器C2。第一辅助直流线路DC3和第二辅助直流线路DC4之间的电压通常大于或等于第一主要直流线路DC1和第二主要直流线路DC2之间的电压，并且相对于用于正常放电模式的直流电压来说是对称的。因此，可以将恢复并存储在第一电容器C1和第二电容器C2中的能量馈送回电气系统的主要直流电源或者某些其他部分。在传统电子转换电路中，该能量将会在开关辅助网络(缓冲器)中被消耗。
图2示出了用于使得第一电容器C1和第二电容器C2放电的直流-直流转换器的一种可能的布置，该直流-直流转换器可以用于电机被设计成仅工作在电动模式的情况。直流-直流转换器组成了能量恢复电路的一部分，并且提供了一种使得第一电容器C1和第二电容器C2分别向第二主要直流线路DC2和第一主要直流线路DC1放电的装置。更具体地说，图2中的直流-直流转换器包括串联连接在第一辅助直流线路DC3和第二主要直流线路DC2之间的第一GTO开关GTO5和第一电感器L1。开关GTO5的阳极连接到第一辅助直流线路DC3，而阴极连接到第一电感器L1。直流-直流转换器还包括串联连接在第二辅助直流线路DC4和第一主要直流线路DC1之间的第二GTO开关GTO6和第二电感器L2。开关GTO6的阴极连接到第二辅助直流线路DC4，而阳极连接到第二电感器L2。最后，直流-直流转换器包括二极管SCR1，其阴极连接到第一开关GTO5与第一电感器L1之间的结点，而阳极连接到第二开关GTO6与第二电感器L2之间的结点。尽管没有示出，在第一辅助直流线路DC3和第二辅助直流线路DC4之间还可以连接另一电容器。这是在第一电容器C1和第二电容器C2是分布电容器或者是多联电容器的情况下的优选布置，但是容易理解的是，直流-直流转换器对全部电容器是共用的。这种布置有助于减小电压钳位电路中寄生电感的效应。
参考图1可以理解整个电路的基本操作。在电动模式的正常操作下，电流从第二直流端沿着第二主要直流线路DC2流动，并且通过由门控导通的相关的GTO开关在第一点处流入定子绕组。绕组电流在第一点分支成两个近似相等的路径，并且在与第一点相差近似180电度的第二点汇合。电流通过也处于导通的相关的GTO开关在第二点处流出定子绕组，并且沿着第一主要直流线路DC1流到第一直流端。例如，电流可以通过相关的GTO开关在第五公共耦合点PCC5处流入定子绕组，并且通过开关GTO1在第一公共耦合点PCC1处流出定子绕组，其中一部分电流如图1所示通过线圈SC6、SC7、SC8和SC1沿逆时针方向流动，而另外一部分电流通过线圈SC5、SC4、SC3和SC2顺时针方向流动。
单个线圈的矢量和EMF将把第一电容器C1充电到峰值直流电压Vp，把第二电容器C2充电到负峰值直流电压-Vp。每个GTO器件在相位控制下操作，通过相位控制在GTO上的电压由于电机EMF原因极性从负变为正之后一段时间，凭借门控信号实现导通。该时间段相对于电气周期通常以角度来表示，并且通称为放电角度。
当电机工作在电动模式时，第一主要直流线路DC1中的电压相对于第二主要直流线路DC2是负的。当电机工作在发电模式时，第一主要直流线路DC1中的电压相对于第二主要直流线路DC2是正的。如果V1代表第一主要直流线路DC1中的电压，V2代表第二主要直流线路DC2中的电压，V3代表第一辅助直流线路DC3中的电压，而V4代表第二辅助直流线路DC4中的电压，那么比率k可以定义为：
k＝(V1-V2)/(V3-V4)
比率k取决于放电角度，并且位于-1(电动模式)和+1(发电模式)之间，而在发生开关事件时没有能量被转移到电压钳位电路中。电压钳位电路的操作影响了Vp的实际运行值，该值大于单独由k设置的值。为了下面的讨论，将假定：由于能量恢复电路是对称的，所以相对于电路的中间点来考虑峰值电压Vp和其他所有电压。
现在将参考图3A-图3C来描述图2的电压钳位与能量恢复电路的操作。
如果转变是使得电流从开关GTO1(即，输出开关)转换到开关GTO3(即，输入开关)，从而使得电流从第一公共耦合点PCC1处离开定子绕组改变成从第二公共耦合点PCC2处离开定子绕组(对于流入定子绕组的电流来说发生适当的类似转变)，则电机的EMF一定造成将要出现在输入开关GTO3上的前向电压。图3A中深灰箭头表示的是转换处理开始时的电流流动(即，输入开关GTO3通过门控导通之前)。
当输入开关GTO3导通时，前向电压是正确的极性并且易于将第一公共耦合点PCC1和第二公共耦合点PCC2之间的第二线圈SC2(图1)中的电流反向。这将增大流入输入开关GTO3中的电流，而减小流入输出开关GTO1中的电流。紧接着输入开关GTO3通过门控导通之后流动的电流在图3A中以浅灰箭头示出。在转换处理期间的一些点处，输出开关GTO1将通过门控关断。通过输出开关GTO1从第一公共耦合点PCC1流动的电流现在将流经二极管D1并流入处于峰值电压Vp的第一电容器C1。第一电容器C1的尺寸足够大，使得电流基本上不会改变峰值电压Vp。二极管D1中的峰值电流是输出开关GTO1中要被关断的峰值电流，并且在默认条件下，这可以是全部直流链路电流。从第一公共耦合点PCC1到第一电容器C1的二极管电流的流向在图3B中由深灰箭头示出。第二公共耦合点PCC2通过处于k*Vp的输入开关GTO3连接到第一主要直流线路DC1。这意味着输出开关GTO1上的电压现在是(k-1)*Vp，这迫使第二线圈SC2中的电流完全反向，如图3B的深灰箭头所示，表示了电流从第一公共耦合点PCC1到第二公共耦合点PCC2的流动。这使得二极管电流下降到0并关断。由此，容易理解的是，第一电容器C1的接近恒定的电压有助于整个转换处理并且限制了输出开关GTO1所承受的电压应力。图3B的浅灰箭头示出了输出开关GTO1一旦关断通过输入开关GTO3的电流流动。在每次转换事件时，这整个转变操作将以逐渐增加方式提升峰值电压Vp。
上面只是直接描述了流出定子绕组的直流电流的转变。然而，容易理解的是，对于流入定子绕组的直流电流也一定发生相应的转变。流入定子绕组的直流电流的转变可能随着流出定子绕组的直流电流的转变同时发生，或者根据特定配置而在不同时间发生。例如上面给出的示例，转变是使电流从在第一公共耦合点PCC1处离开定子绕组改变为在第二公共耦合点PCC2处离开定子绕组，则对应的转变会使电流从在第五公共耦合点PCC5处进入定子绕组改变为在第六公共耦合点PCC6处进入定子绕组。由此，与第五公共耦合点PCC5相关的GTO开关将是输出开关，而与第六公共耦合点PCC6相关的GTO开关将是输入开关。然而，为了以下的说明，更方便的是考虑开关GTO2是输出开关而开关GTO4是输入开关情况下的完整分开的转变事件。
这种转变类似于上述转变，只是极性相反。在转换处理开始时，输入开关GTO4被前向偏置并且可以通过门控导通。前向偏置电压有助于将第一公共耦合点PCC1和第二公共耦合点PCC2之间的第二线圈SC2(图1)中的电流反向。在转换处理期间的一些点，输出开关GTO2将通过门控关断。第一公共耦合点PCC1处的任何不足的电流将从处于负峰值电压-Vp的第二电容器C2流经二极管D2。第二公共耦合点PCC2通过处于-k*Vp的输入开关GTO4连接到第二主要直流线路DC2。这意味着输出开关GTO2上的电压现在是(k-1)*Vp，这迫使线圈SC2中的电流完全反向。
为了避免峰值电压Vp变得太大，同时对第一电容器C1和第二电容器C2进行周期性放电。通过门控使得直流-直流转换器的第一开关GTO5和第二开关GTO6导通来实现这样的放电，以使得在每个都具有等于(1-k)*Vp的电压的第一电感器L1和第二电感器L2中产生电流(不考虑使该电压增大的转变事件以及第一电容器C1和第二电容器C2的周期性放电的影响)。当峰值电压Vp充分下降时，第一开关GTO5和第二开关GTO6通过门控关断。这使得电感器L1和L2两者上的电压反向，从而二极管SCR2变成前向偏置并导通。第一电感器L1、二极管SCR1和第二电感器L2的串联连接电路中的电流减小，并且当减小到0时，二极管SCR1关断，从而将电路恢复到初始状态。
对第一电容器C1和第二电容器C2上的电压的监测可以提供有关电机的操作特征和状态的有用信息。该信息可以包括正在定子绕组中正在产生的EMF以及对单个开关级的GTO开关正确传导电流的确认。该信息可用来帮助控制电机和/或将电机作为一部分的整个系统。
第一电容器C1和第二电容器C2放电之间的周期对电路的操作并不重要，例如，可以是用于主要GTO器件的开关频率的倍数或约数。然而，放电间期影响了第一电容器C1和第二电容器C2的所需尺寸，这是因为电容器上的电压应基本不变的需要。例如，用于完全负载下第一开关GTO5和第二开关GTO6的10％占空比容许将要选择的第一电感L1和第二电感L2的值。优选占空比容许第一电感L1和第二电感L2中的电流在开关周期内达到0，以减小对二极管SCR1的需求。优选范围内较高的占空比会减小第一开关GTO5和第二开关GTO6所需的峰值电流，但会减少用于二极管SCR1的反向恢复的可用时间。
容易理解的是，在电机被设计仅工作在电动模式时使用图2的直流-直流转换器。因此，图4示出了用于直流-直流转换器的替代结构，该直流-直流转换器可用于在电机被设计成通常工作在电动模式但偶尔也需要工作在发电模式时使得第一电容器C1和第二电容器C2放电。在此情况下，二极管SCR1已由晶闸管(也标记为SCR1)取代，串联连接的晶闸管SCR3和电阻器DBR连接在第一直流端和第二直流端之间，以在电源转换器不能再生供电网络时防备电动机断路。这对于海上推进驱动器来说是常见应用，其中电阻为通常所说的动态断路电阻器(DBR)，并且电机在大部分时间作为电动机而不是发电机来运行。当电机从电动模式改变为发电模式时，第一主要直流线路DC1和第二主要直流线路DC2的极性相反。在发生反向之前，必须去除施加到晶闸管SCR1和第一开关GTO5和第二开关GTO6上的门控信号，并且必须容许第一电感器L1和第二电感器L2中的电流下降为0，使得晶闸管SCR1可以恢复并且阻止前向电压。在此状态下，不能再使得第一电容器C1和第二电容器C2放电，因此主要GTO器件必须作为自然转换的晶闸管运行，对每个处于导通的主要GTO器件保持门驱动直到阳极电流达到0。当电机从电动模式改变为发电模式时，主要GTO器件的放电角度也得以前进。
图5示出了用于直流-直流转换器的一种可能的布置，在电机被设计成通常工作在发电模式时可使用该直流-直流转换器。容易理解的是，电压钳位与能量恢复电路对于发电应用来说不是那么重要，这是因为由于仅对性能具有很小的影响，所以可以延迟对输出GTO开关的关断控制直到该GTO开关中的电流已经下降为0。在此情况下，不存在过量电流来提升第一电容器C1和第二电容器C2的电压。
如果在载有电流时通过门控关断输出GTO开关，则将如上所述提升第一电容器C1和第二电容器C2的电压。必须容许对第一主要直流线路DC1和第二主要直流线路DC2之间的电压极性进行反向，并且因此必须使得第一电容器C1和第二电容器C2对主要直流线路进行放电，这与用于电动模式的情况相反。然而，图5的直流-直流转换器的整个操作在功能上等效于上面参考图3A-图3C所述的操作。
图6示出了基于图5的一种结构，其中第三电容器C3连接在第一辅助直流线路DC3和第二辅助直流线路DC4之间。额外的电容器C4和C5也分别连接在第一辅助直流线路DC3和第一主要直流线路DC1之间以及第二辅助直流线路DC4和第二主要直流线路DC2之间。因此，图6中的电压钳位与能量恢复电路包括分布电容器或者多联电容器。然而，容易理解的是，全部电容器C1到C5都由单个直流-直流转换器共用，其中图6的布置与图5的直流-直流转换器的布置相同。该布置仍旧具有相对较少的电子元件，这意味着较低的硬件成本和改进的可靠性。容易理解的是，该电容器的特定布置可以应用到在此描述的任何其他电压钳位与能量恢复电路。
图7示出了用于直流-直流转换器的一种可能的布置，该直流-直流转换器可以用于电机被设计成工作在电动和发电两种模式的情况。该直流-直流转换器是分别用于电动和发电模式的图2和图5中所示的那些直流-直流转换器的有效结合。然而，二极管SCR1和SCR2由可以根据适当情况针对电动或者发电模式而通过门控导通和关断的晶闸管(也标记为SCR1和SCR2)代替。
图8示出了可替代的谐振式直流-直流转换器，该直流-直流转换器可以用于电机被设计成通常工作在电动模式的情况。当主要GTO器件作为自然的转换晶闸管运行时，电机可以作为发电机工作，对每个导通的主要GTO器件保持门驱动直到阳极电流已达到0。容易理解的是，这种电路需要在图8所示的DBR中消耗能量，从而提供制动力。谐振式直流-直流转换器的应用容许对能量恢复电路的控制进一步简化。在并联连接的电容器C6使得晶闸管SCR4变得反向偏置时，第一开关GTO5由自动关断的晶闸管SCR4取代。类似的，在并联连接的电容器C7使得晶闸管SCR5变得反向偏置时，第二开关GTO6由自动关断的晶闸管SCR5取代。电感器L3和L4分别与晶闸管SCR4和SCR5串联连接(且与电容器C6和C7并联连接)，并且相比较第一电感器L1和第二电感器L2具有小电感量。晶闸管SCR6连接在晶闸管SCR4和第一电感器L1的结点与晶闸管SCR5和第二电感器L2的结点之间。如果电机只会用于电动模式，则晶闸管SCR6可以由简单二极管取代。假定，只要电机工作在电动模式时晶闸管SCR6就会导通，因此在下面描述中，该晶闸管将作为二极管工作。
当晶闸管SCR4通过门控导通以使得电压钳位电路的第一电容器C1放电时，根据叠加原理，由于在电容器C6的初始充电时电容器C6和电感器L3被短路，所以流过晶闸管SCR4的电流为将流入先前(非谐振式)用于电动应用的直流-直流转换器中的电流与正弦谐振电流之和。这些电流的第一部分将根据下面的事实稍微加以修改：相关电感量为两个电感器L1和L3的电感量之和，而第一电感器L1的较大电感量占主导。根据元件值的正确选择，通过电容器C6的正弦电流将足够大，使得通过晶闸管SCR4的总电流试图变负，这将自动地使得晶闸管SCR4关断。在第一电感器L1上已经建立的电流(以及当通过门控导通晶闸管SCR5来使得电压钳位电路的第二电容器C2放电时在第二电感器L2中类似方式下建立的电流)将继续流动并且通过电容器C6和C7的充电来提供，直到晶闸管SCR6变成前向偏置并且使得电容器C6和C7发生转换时为止。
谐振式直流-直流转换器的应用意味着，当电容器C1和C2上的电压超过特定阈值时，通过门控导通晶闸管SCR4和SCR5，可以有选择地使得第一电容器C1和第二电容器C2放电。随后，晶闸管SCR4和SCR5将通过公知的谐振转换处理自然恢复。
对第一电感器L1和第二电感器L2以及第一主要直流线路DC1和第二主要直流线路DC2之间的连接进行适当反向，类似的谐振式直流-直流转换器可用于发电模式。然而，选择适合的元件值使得正确工作在发电模式会更困难。对于设计工作在电动和发电两种模式的电路来说，这些困难会增大，而替代的直流-直流转换器设计可以提供行得通的替代物。
图9示出了用于第一辅助直流线路DC3和第二辅助直流线路DC4的分别的直流-直流转换器。如果实际元件值使得第一辅助直流线路DC3和第二辅助直流线路DC4不会彼此追踪，那么可能需要分别的直流-直流转换器。图9中的第一直流-直流转换器包括串联连接在第一辅助直流线路DC3和第二主要直流线路DC2之间的第一GTO开关GTO5和第一电感器L1，以及晶闸管SCR6，其阴极连接到第一开关GTO5和第一电感器L1之间的结点，其阳极连接到第二主要直流线路DC2。图9中的第二直流-直流转换器包括串联连接在第二辅助直流线路DC4和第一主要直流线路DC1之间的第二GTO开关GTO6和第二电感器L2，以及晶闸管SCR7，其阳极连接到第二开关GTO6和第二电感器L2之间的结点，其阴极连接到第一主要直流线路DC1。当电机工作在电动模式时，晶闸管SCR6和SCR7一直导通，而当电机工作在发电模式时，晶闸管SCR6和SCR7一定关断。如果电机将只工作在电动模式，则晶闸管SCR6和SCR7可以由二极管代替。在图9的电路的实施例中，当仅用于电动模式时，将使用两个相同的控制电路，一个用于第一开关GTO5，另一个用于第二开关GTO6。对控制电路的控制输入将是由电流变压器感测的相关电感器(即，用于第一开关GTO5的第一电感器L1和用于第二开关GTO6的第二电感器L2)中的电流以及GTO开关上被控制的前向电压。当前向电压超过阈值时，控制电路将使得GTO开关导通，而当相关电感器中的电流达到第二阈值时，使得GTO开关关断。可以将控制电路设计成不需要附加电源和其他控制输入。
在更一般的情况下，可能需要对晶闸管SCR6和SCR7的控制，以及对GTO开关上的触发电压的选择。触发电压的选择提供了控制钳位电压的装置，这可能在某些应用中有益。这些功能会需要对控制电路的进一步的输入控制。
Claims (43)
1.一种用于电机的定子绕组的电路，该定子绕组包括多个通过相同数量的公共耦合点链接的线圈，所述电路包括：
电子转换电路，其具有相同数量的开关级，每个开关级连接在各自的一个公共耦合点与第一主要直流线路和第二主要直流线路之间，并且每个开关级包括：
第一逆阻半导体功率器件，其能够通过门控导通和关断，其阴极连接到第一主要直流线路；和
第二逆阻半导体功率器件，其能够通过门控导通和关断，其阳极连接到第二主要直流线路；并且所述电路还包括：电压钳位电路，其包括：
相同数量的钳位级，每个钳位级都连接在各自的一个公共耦合点与第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间，每个钳位级包括其阴极连接到第一辅助直流线路的第一二极管和其阳极连接到第二辅助直流线路的第二二极管；
第一电容器，其连接在第一主要直流线路和第一辅助直流线路之间；和
第二电容器，其连接在第二主要直流线路和第二辅助直流线路之间；并且所述电路还包括：
用于选择性地使得第一电容器和第二电容器放电的装置。
2.如权利要求1所述的电路，其中可选择性地使得第一电容器和第二电容器进行放电的装置是用于对存储在第一电容器和第二电容器中的能量进行恢复的能量恢复电路。
3.如权利要求2所述的电路，其中能量恢复电路包括直流-直流转换器装置，用于有选择地使得第一电容器对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的一条线路放电，并且有选择地使得第二电容器对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的另一条线路放电。
4.如前述任一权利要求所述的电路，其中电压钳位电路还包括连接在第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间的第三电容器。
5.如前述任一权利要求所述的电路，其中电压钳位电路还包括连接在第一主要直流线路和第一辅助直流线路之间的多个第一电容器以及连接在第二主要直流线路和第二辅助直流线路之间的多个第二电容器。
6.如前述任一权利要求所述的电路，还包括第一直流端和第二直流端，其中串联连接的晶闸管和电阻器连接在第一直流端和第二直流端之间。
7.如权利要求3所述的电路，其中直流-直流转换器装置包括串联连接在第一辅助直流线路和第二主要直流线路之间的第一半导体功率器件和第一电感器；串联连接在第二辅助直流线路和第一主要直流线路之间的第二半导体功率器件和第二电感器；以及第三半导体功率器件，其阴极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点，其阳极连接到第二半导体功率器件和第二电感器之间的结点。
8.如权利要求7所述的电路，其中直流-直流转换器装置的第一半导体功率器件的阳极连接到第一辅助直流线路，而直流-直流转换器装置的第二半导体功率器件的阴极连接到第二辅助直流线路。
9.如权利要求7或8所述的电路，其中直流-直流转换器装置的第三半导体功率器件是二极管。
10.如权利要求7或8所述的电路，其中直流-直流转换器装置的第三半导体功率器件是晶闸管。
11.如权利要求3所述的电路，其中直流-直流转换器装置包括串联连接在第一辅助直流线路和第一主要直流线路之间的第一半导体功率器件和第一电感器；串联连接在第二辅助直流线路和第二主要直流线路之间的第二半导体功率器件和第二电感器；以及第三半导体功率器件，其阴极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点，而其阳极连接到第二半导体功率器件和第二电感器之间的结点。
12.如权利要求11所述的电路，其中直流-直流转换器装置的第一半导体功率器件的阳极连接到第一辅助直流线路，而直流-直流转换器装置的第二半导体功率器件的阴极连接到第二辅助直流线路。
13.如权利要求11或12所述的电路，其中直流-直流转换器装置的第三半导体功率器件是二极管。
14.如权利要求11或12所述的电路，其中直流-直流转换器装置的第三半导体功率器件是晶闸管。
15.如权利要求3所述的电路，直流-直流转换器装置包括连接到第二主要直流线路的第一电感器、连接到第一主要直流线路的第二电感器、连接在第一辅助直流线路和第一电感器之间的第一半导体功率器件、连接在第二辅助直流线路和第二电感器之间的第二半导体功率器件、连接在第一辅助直流线路和第二电感器之间的第三半导体功率器件、连接在第二辅助直流线路和第一电感器之间的第四半导体功率器件、其阴极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点而其阳极连接到第二半导体功率器件和第二电感器之间的结点的第五半导体功率器件、以及其阴极连接到第二半导体功率器件和第二电感器之间的结点而其阳极连接到第四半导体功率器件和第一电感器之间的结点的第六半导体功率器件。
16.如权利要求15所述的电路，其中直流-直流转换器装置的第一半导体功率器件和第三半导体功率器件的阳极连接到第一辅助直流线路，而直流-直流转换器装置的第二半导体功率器件和第四半导体功率器件的阴极连接到第二辅助直流线路。
17.如权利要求15或16所述的电路，其中直流-直流转换器装置的第五半导体功率器件和第六半导体功率器件是晶闸管。
18.如权利要求3所述的电路，其中直流-直流转换器装置是谐振式直流-直流转换器装置。
19.如权利要求18所述的电路，其中直流-直流转换器装置包括串联连接在第一辅助直流线路和第二主要直流线路之间的第一电感器和第一电容器；串联连接在第二辅助直流线路和第一主要直流线路之间的第二电感器和第二电容器；串联连接在第一辅助直流线路和第一电感器同第一电容器间结点之间的第一半导体功率器件和第三电感器，以使得第一半导体功率器件和第三电感器与第一电容器并联连接；串联连接在第二辅助直流线路和第二电感器同第二电容器间结点之间的第二半导体功率器件和第四电感器，以使得第二半导体功率器件和第四电感器与第二电容器并联连接；以及其阴极连接到第一电感器和第一电容器之间的结点而其阳极连接到第二电感器和第二电容器之间的结点的第三半导体功率器件。
20.如权利要求19所述的电路，其中第一半导体功率器件的阳极连接到第三电感器，而第一半导体功率器件的阴极连接到第一电感器和第一电容器之间的结点。
21.如权利要求19或20所述的电路，其中第二半导体功率器件的阴极连接到第二辅助直流线路，而第二半导体功率器件的阳极连接到第四电感器。
22.如权利要求19到21中任一所述的电路，其中第一半导体功率器件的阳极连接到第一辅助直流线路，而第一半导体功率器件的阴极连接到第三电感器。
23.如权利要求19到22中任一所述的电路，其中第二半导体功率器件的阴极连接到第四电感器，而第二半导体功率器件的阳极连接到第二电感器和第二电容器之间的结点。
24.如权利要求19到23中任一所述的电路，其中直流-直流转换器装置的第一半导体功率器件、第二半导体功率器件和第三半导体功率器件是晶闸管。
25.如权利要求2所述的电路，其中能量恢复电路包括第一直流-直流转换器装置，其用于使得第一电容器选择性地对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的一条线路放电，还包括第二直流-直流转换器装置，其用于使得第二电容器选择性地对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的另一条线路放电。
26.如权利要求25所述的电路，其中第一直流-直流转换器装置包括串联连接在第一辅助直流线路和第二主要直流线路之间的第一半导体功率器件和第一电感器，以及其阴极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点而其阳极连接到第二主要直流线路的第二半导体功率器件。
27.如权利要求26所述的电路，其中第二半导体功率器件是二极管。
28.如权利要求26所述的电路，其中第二半导体功率器件是晶闸管。
29.如权利要求25到28中任一所述的电路，其中第二直流-直流转换器装置包括串联连接在第二辅助直流线路和第一主要直流线路之间的第一半导体功率器件和第一电感器，以及其阳极连接到第一半导体功率器件和第一电感器之间的结点而其阴极连接到第一主要直流线路的第二半导体功率器件。
30.如权利要求29所述的电路，其中第二半导体功率器件是二极管。
31.如权利要求29所述的电路，其中第二半导体功率器件是晶闸管。
32.一种电机，包括移动部分、定子、具有多个通过相同数量的公共耦合点而链接的线圈的定子绕组、以及如前述任一权利要求所述的电路，其中电子转换电路的每个开关级连接在各自的一个公共耦合点与第一主要直流线路和第二主要直流线路之间，电压钳位电路的每个钳位级连接在各自的一个公共耦合点与第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间。
33.一种对如权利要求32所述的电机进行控制的方法，其中第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间的电压对于电机的所有操作状态来说基本恒定。
34.一种对如权利要求32所述的电机进行控制的方法，其中第一辅助直流线路和第二辅助直流线路之间的电压根据电机的操作状态而变化。
35.一种对如权利要求7到17中任一所述的电路进行控制的方法，其中根据脉冲宽度调制策略或者脉冲周期调制策略来控制直流-直流转换器装置的半导体功率器件。
36.一种对如权利要求19到24中任一所述的电路进行控制的方法，其中根据脉冲宽度调制策略或者脉冲周期调制策略来控制直流-直流转换器装置的半导体功率器件。
37.一种对如权利要求25到31中任一所述的电路进行控制的方法，其中根据脉冲宽度调制策略或者脉冲周期调制策略来控制第一直流-直流转换器装置和第二直流-直流转换器装置的半导体功率器件。
38.一种从用于电机定子绕组的电子转换电路中恢复能量的方法，该定子绕组具有多个通过相同数量的公共耦合点链接的线圈，电子转换电路具有相同数量的开关级，每个开关级连接在各自的一个公共耦合点与第一主要直流线路和第二主要直流线路之间，并且每个开关级包括：
第一逆阻半导体功率器件，其能够通过门控导通和关断，其阴极连接到第一主要直流线路；和
第二逆阻半导体功率器件，其能够通过门控导通和关断，其阳极连接到第二主要直流线路；
该方法包括步骤：
当开关级的第一逆阻半导体功率器件或者第二逆阻半导体功率器件之一通过门控被关断时，利用流经所述第一逆阻半导体功率器件或者第二逆阻半导体功率器件之一的电流来给电容器充电；以及
使电容器选择性地放电。
39.如权利要求38所述的方法，其中由用于对存储在电容器中的能量进行恢复的能量恢复电路来使电容器选择性地放电。
40.如权利要求38或39所述的方法，其中由直流-直流转换器装置使电容器选择性地放电。
41.如权利要求40所述的方法，其中直流-直流转换器装置是谐振式直流-直流转换器装置。
42.如权利要求38到41中任一所述的方法，其中电容器有选择地对第一主要直流线路和第二主要直流线路中的一条线路进行放电。
43.如权利要求38到42中任一所述的方法，还包括对电容器上的电压进行监测以确定有关电机的运行特征的信息的步骤。
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