CN101540502B - 包括防止过流和过压的设备的速度控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种速度控制器，包括：在输入处，整流器模块(12)，用于从电源网络(A)上可获得的交流电压在电力总线(10，11)上产生直流电压，总线电容器(Cb)，连接在所述电力总线的正极线路和负极线路之间，逆变器模块(13)，由所述电力总线供电，并且被控制为将交流电压传递至电负载(2)，用于保护所述控制器的设备(14)，包括JFET晶体管类型的第一电子开关(T1)和安装在所述电力总线上并与JFET晶体管(T1)并联的第二电子开关(T2)。

Description

包括防止过流和过压的设备的速度控制器
技术领域
本发明涉及一种具有防止由于电源网络的过压(overvoltage)或欠压(undervoltage)而产生的过流(overcurrent)和过压的设备的速度控制器。
背景技术
在已知的方式中，速度控制器被连接到电源网络并被设计为控制电负载。其在输入处包括电压整流器模块，将电源网络提供的交流电压转换成直流电压并且向下游提供具有正极线路和负极线路的电力总线。通常被称为总线电容器的滤波电容器被安装在电力总线的正极端和负极端之间。在输出处，控制器包括由电力总线供电的逆变器模块，使之能够从直流电压产生交流电压，该交流电压可以通过采用例如由脉宽调制(PWM)控制的IGBT晶体管类型的电子开关而具有可变的幅值和频率。
电源网络可能经历各种形式的破坏，例如过压或欠压。该破坏可能具有较高的幅值和较短的持续时间，从而能量很小，或者具有较低的幅值和较长的持续时间，从而能量很大。如果破坏具有很大的能量，则倘若总线电容器具有较低的电容，则控制器的某些组件，诸如整流器模块的二极管、总线电容器、或逆变器模块的晶体管可能由于整流器模块侧的较强的涌入电流或逆变器模块侧的过压而被损坏。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种能够承担电源网络的破坏而不被损坏的速度控制器。
通过一种速度控制器实现该目的，其包括：
-在输入处，整流器模块，用于从电源网络上可获得的交流电压在电力总线上产生直流电压；
-总线电容器，连接在所述电力总线的正极线路和负极线路之间；以及
-逆变器模块，由所述电力总线供电，并被控制为将交流电压传递至电负载，
其特征在于：
-所述控制器包括用于保护控制器免受与所述电源网络上的电压变化相关的过流影响的设备，
并且，在该保护设备中包括：
-由宽禁带(forbidden band)材料制成的JFET晶体管类型的第一电子开关，其被置于所述电力总线上、且串联在所述整流模块和总线电容器之间，
-安装在所述电力总线上的第二电子开关，其与所述第一电子开关并联，
-控制所述第一电子开关和所述第二电子开关二者的装置。
根据特定的特征，所述保护设备被安装在所述电力总线的正极线路上。
优选地，所述第一电子开关、即JFET晶体管是常闭(normally-closed)型的并且由碳化硅制成。
优选地，所述第二电子开关为JFET类型的常闭型晶体管，并由碳化硅制成。
根据另一特定的特征，所述用于控制第一电子开关和第二电子开关二者的装置被连接在所述电力总线的正极线路和负极线路之间。
根据另一特定的特征，所述控制装置包括能够将控制电压施加给所述第一和第二电子开关的充电泵电路。
根据另一特定的特征，该控制装置包括存储装置，存储在第一电子开关的端子处测量的电压的阈值，超过该阈值，所述控制装置命令第二电子开关断开(open)。该存储装置还存储在所述电力总线的正极线路和负极线路之间测量的电压的阈值，超过该阈值，所述第二电子开关被命令断开。
根据另一特定的特征，所述控制器还包括用于保护整流器模块免受过压影响的设备。该用于保护整流器模块免受过压影响的设备例如包括常闭JFET类型的限制晶体管和齐纳二极管，二者都被并联在所述电力总线的正极线路和负极线路之间。作为一种变体，该用于保护整流器模块免受过压影响的设备可包括连接在所述电力总线的正极线路和负极线路之间的GMOV类型的变阻器。
附图说明
在参考作为示例给出并由附图表示的实施例的下面的详细描述中，其他特征和优点将显而易见，其中，图1以简化的方式示出了具有本发明的保护设备的速度控制器。
具体实施方式
参考图1，速度控制器1包括向电力总线提供直流电压Vdc(例如，取决于使用的条件，为200至800Vcc或更高的数量级)的直流电压源。电力总线包括正极线路10和负极线路11。总线电容器Cb通常被用于保持电力总线的直流电压Vdc恒定或滤除由逆变器模块(“C-less”类型的控制器)管理的直流总线的断续电流。该总线电容器Cb被连接在电力总线的正极端和负极端之间，并且通常为用于标准控制器的电解类型或为用于“C-less”类型控制器的薄膜类型。
在图1中，控制器1包括在输入处的整流器模块12，其被设计为整流来自外部电源网络A(例如380Vac的三相电子网络)的三相交流电压。该整流器模块12有利的采用比可控硅整流器更经济更可靠的二极管120。
速度控制器1还包括在输出处的逆变器模块13，其能够从电力总线利用可能具有可变幅值和频率的交流电压控制电负载2。为了该目的，逆变器模块13采用脉宽调制(PWM)控制以控制安装在各相上的电子功率开关130。这些开关为由图1未示出的控制模块控制的功率晶体管，例如为IGBT类型。在图1中，逆变器模块13包括用于向电负载2传送三相交流电压的三个臂，每个臂具有在电力总线的正极线路和负极线路之间串联连接的两个功率晶体管，总共有6个功率晶体管。
本发明在于在控制器中放置保护设备14，以保护控制器免受与电源网络A上的电压变动相关的过流和过压的影响。
这些过流可能由两种不同的现象产生：
-当存在过压时，在总线电容器Cb中产生较强的涌入电流，其可能导致对整流器模块12的二极管桥的损坏并且导致电力总线上较强的过压，该较强的过压可能导致对逆变器模块13和总线电容器Cb的损坏。
-当在欠压之后返回正常时，也会在总线电容器Cb中产生较强的涌入电流，这可能导致整流器模块12的二极管桥的损坏。
因此，需要限制整流器模块12中的涌入电流，以在电源网络A上发生过压期间或在欠压发生之后保护整流器模块12。
为此，本发明的设备14特别地包括常开(normally-open)或常闭(normally-closed)JFET晶体管类型的第一电子开关。
JFET是已知的电子功率开关，其包括控制栅极(G)，功能是允许或禁止漏极(D)和源极(S)之间的电流通过。如果在栅极和源极之间的电压VGS接近为0，则这样的晶体管被称作为常导通(normally-ON)。这意味着在没有控制电压VGS的情况下，漏-源极通路处于导通状态或导电状态。相反，如果在没有栅极和源极之间的电压VGS的情况下漏-源极通路不导电，则JFET晶体管被称作“常截止(normally-OFF)”。
另外，常导通JFET晶体管类型的电子开关比其它类型的压控电子功率开关(诸如MOSFET、IGBT或者甚至是常断开JFET类型的开关)提供更好的性能。特别是，这样的开关尤其具有开关迅速、在导通状态下产生更少的导电损耗(在导通状态时的低电阻RDSon)、具有更好的耐热性和具有更小的尺寸的优点。
JFET晶体管T1由大禁带材料(也称作“宽带隙材料”)制成，也就是说在导通状态中具有低电阻RDSon并且能够承受很大的电压(大于1000V)，大禁带材料例如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)。
因此，本发明的保护设备14优选地包括常导通的、由诸如碳化硅或氮化镓的宽禁带材料制成的JFET晶体管T1。晶体管T1被安装在电力总线的正极线路10上，且串联连接在整流器模块12和总线电容器Cb之间。
该设备还包括第二电子开关，其被连接在电力总线的正极线路10上的，且与晶体管T1并联。该第二电子开关例如为JFET、IGBT或MOSFET类型的晶体管T2。它可以为常截止或常导通。优选的，采用常导通JFET类型的晶体管T2，类似于晶体管T1，其由宽禁带材料制成，也就是说在导通状态中具有低电阻RDSon并且能够承受高电压(大于1000V)，宽禁带材料诸如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)。
本发明的设备包括用于控制晶体管T1和晶体管T2的装置140。这些控制装置140特别的包括用于决定是否切换晶体管T1和晶体管T2的处理装置、存储装置、被设计为控制晶体管T1的电源和被设计为控制晶体管T2的电源。所使用的电源为例如充电泵电路，每个充电泵电路例如包括在电路的预充电期间由电力总线充电的电容器和与该电容器并联安装的齐纳二极管。也可以使用单独的外部电源来控制晶体管T1和T2，但是在这种情况中，控制装置140不再直接从电力总线供电，并且因此电路不再独立工作。在这种情况中，可以想象采用常截止类型的晶体管T1和T2。
根据本发明，晶体管T1具有例如碳化硅的表面，一方面，其足够使得当在冷环境(典型的为小于150℃的温度)时的限制电流大于电负载2所需要的正常电流，另一方面，其足够使得能够在充电总线电容器Cb以及电源网络A上的过压和欠压的瞬变阶段期间消散足够的能量而不被损坏。典型的，碳化硅JFET能够保持0.5J每平方毫米(mm2)而不会短路损坏。晶体管T2的碳化硅表面必须足够使得当在冷环境时的限制电流大于电负载2所需要的正常电流。因为无需消散能量，所以晶体管T2的表面可以比晶体管T1的表面小。因此，晶体管T1的导通状态的电阻RDSon比晶体管T2的导通状态的电阻RDSon小。
控制器1还包括连接在电力总线的正极线路10和负极线路11且在整流器模块12的下游和保护设备14的上游之间的去耦电容器Cd。该去耦电容器Cd用于在有限的时间段中对发生在电源网络A上的较强但是能量较小的过压进行钳位。
取决于控制器1是否处于启动时的预充电、是承受网络过压还是欠压，该控制器1的保护设备14以下面的方式操作：
-启动(也就是说没有负载电流)
晶体管T1和晶体管T2初始为导通状态。它们的电阻(Rdson)在导通状态下非常小。因此在并联的晶体管T1和T2的漏极和源极端之间测量到的电压V也非常小。如果总线电容器Cb具有较低的电容值(为2μF/kW的数量级)，则它的充电较快并且几乎不需要能量。在这种情况下，涌入电流很小并且因此两个晶体管都不会切换以用于限制。在另一方面，如果总线电容器Cb具有较高的电容值(几十μF/kW)，则通过总线电容器Cb产生较高的涌入电流。当流过晶体管T1的电流大于晶体管T1的限制电流时，晶体管T1进入限制阶段。如果电容器Cb的充电电流大于晶体管T1的限制电流，则电流可通过晶体管T2。如果通过晶体管T2的电流大于该晶体管T2的限制电流，则轮到晶体管T2切换以进行限制。当晶体管T1和T2都处于限制中时，所测量到的电压V增加。当该电压V变得大于第一阈值S1、例如等于3伏特时，晶体管T2被命令断开。因此，所有充电电流流经晶体管T1。在与总线电容器Cb的充电相关的瞬变阶段期间，晶体管T1还必须承受在整流器模块12的输出电压与总线电容器Cb端子处的电压之间的电压差。为了承受电流和电压二者，因此晶体管T1的碳化硅芯片必须消散大量的能量，这使得它的结温(junction temperature)上升，并且与温度成反比的跨导大幅改变。晶体管T1的跨导的大幅减少使其限制电流减少了给定栅极电压的对应量(典型的对于碳化硅芯片，在冷环境和热环境下的限制电流之间的比率为10)。结果，在晶体管T1的高消散之后，有必要允许其冷却以返回至冷环境下的限制电流。
当总线电容器Cb的充电完毕时，晶体管T1和T2的端子处的电压V变为0，因此降低回低于第一阈值S1。然后，晶体管T2被命令闭合。理想的，只要晶体管T1进入限制则晶体管T2必须被命令断开，以使得其不被置于限制中并因此不会升温，以便不改变其跨导的值。然后，没有升温或升温很少的晶体管T2可用于电负载2和控制器1的立即启动，而无需等待晶体管T1冷却。因此晶体管T2消除了晶体管T1的热记忆效应。
如果没有晶体管T2，则电负载2和控制器1的电流将会有很大的风险大于晶体管T1的限制电流。然后，晶体管T1将会被保持在限制的状态，导致要被消散的能量累积以及结温增高的风险，直至发生短路损坏。一旦损坏，晶体管T1不再能够限制电流以及持续保护控制器1。
-网络过压
在电源网络A上过压的情况下，总线电容器Cb产生较强的涌入电流。在这种情况中，在总线电容器Cb的端子处测量到的直流电压Vdc达到最大值Vdcmax。当电压Vdc大于小于Vdcmax的第二阈值S2时，晶体管T2被命令断开。如果两个晶体管T1和T2已返回至限制状态并且如果在两个晶体管的漏极和源极端之间测量到的电压V已超过第一阈值S1，则晶体管T2也可被命令断开。一旦晶体管T2截止，晶体管T1由控制装置140置于线性状态以限制电力总线上的电流，以便将直流电压Vdc调整至最大电压Vdcmax。选择第二阈值S2以使得当过压时晶体管T2截止并且使得当晶体管T1调节电压Vdc为大约Vdcmax时晶体管T2保持截止。第二阈值S2例如为等于Vdcmax-15伏特。然后，晶体管T1承受所有的过压，并且其自己消散由其电阻增大和通过负载2的所希望的电流所产生的全部能量。
如果过压停止并且总线电容器Cb被完全充电，则晶体管T1和T2的端子处的电压V被抵消，因此返回至低于第一阈值S1。然后，晶体管T2被命令闭合。由于负载电流优选地通过晶体管T2，因此晶体管T1可接着冷却。晶体管T2消除了晶体管T1的热记忆效应。
如果过压持续并且由于晶体管T1的电阻逐渐增加而使得限制电流变得小于充电电流，则晶体管T1不能再提供负载2所需的电流。这导致了电压Vdc的下降。
如果电压Vdc再次升高并且晶体管T1和T2的端子处的电压V再次降低至低于第一阈值S1，则晶体管T2被命令闭合并可以通过消除晶体管T1的热记忆效应而使得晶体管T1的负载减轻。
在另一方面，如果电压Vdc降低至低于阈值Vdcmin，则逆变器模块13停止以不再向电负载2提供电流。然后有必要通过实施与启动时相同的方式来对总线电容器Cb进行再充电。当总线电容器Cb被完全充电时，晶体管T2被命令闭合。例如，逆变器模块13例如根据在线(on-the-fly)重启类型的命令，在所定义的时间段之后被重启。然后，两个晶体管T1和T2被置于导通状态并且充电电流可通过晶体管T2直到晶体管T1被冷却。
另外，如果在晶体管T1和T2的端子处的电压V保持在比第一阈值S1高的值，同时电压Vdc保持在阈值Vdcmin之上，并且已持续所定义的时间段t，例如等于三秒，则这意味着过压已经结束并且充电电流保持略低于晶体管T1的限制电流。由于热记忆效应，所以晶体管T1被保持在限制状态。为了保护其本身，晶体管T1被命令断开以使得电压Vdc被抵消。在晶体管T1冷却所必需的所定义的时间段之后，通过与启动时一样的过程对总线电容器Cb进行再充电。接着，逆变器模块13例如根据在线重启类型的命令，在所定义的时间段之后被重启。
-网络欠压
在控制器的电源网络欠压期间，晶体管T1导通，并且如果电负载2在逆变器中存在则总线电容器Cb放电，如果逆变器中不存在电负载2则总线电容器Cb不放电。在欠压结束之后，当返回正常电压时，如果总线电容器Cb还未放电，则不发生涌入电流。另一方面，如果在欠压期间总线电容器Cb被放电以供给电负载2，则当返回正常电压时总线电容器Cb必须被再充电，这会导致较强的涌入电流流经总线电容器Cb。在这种情况中，对于启动，晶体管T1和T2进入限制状态，结果是在它们的端子处测量到的电压V增加。当该电压V超过第一阈值S1时，晶体管T2被命令断开。晶体管T1承受所有欠压后的返回值并且升温。
如果限制电流不低于充电电流，则总线电容器Cb能够通过晶体管T1正常充电。然后，当总线电容器Cb完全充电后，在晶体管T1和T2的端子处的电压V被抵消。晶体管T2被命令闭合，并能够用于传递充电电流。因此能够消除在总线电容器Cb的充电期间升温的晶体管T1的热记忆效应。
另一方面，如果由于晶体管T1的电阻的增加导致限制电流变得小于充电电流，则因为总线电容器Cb的放电所以电压Vdc减小。当电压Vdc变得小于阈值Vdcmin时，逆变器模块13停止以便保护晶体管T1和T2。电负载2不再接收电流。与过压期间一样，有必要通过实施与启动时相同的方式来对总线电容器Cb进行再充电。当总线电容器Cb被完全充电时，晶体管T2被命令闭合。逆变器模块13可以例如根据在线重启类型的命令，在所定义的时间段之后被重启。两个晶体管T1和T2被置于导通状态并且充电电流可通过晶体管T2直到晶体管T1被冷却。
另外，如果在晶体管T1和T2的端子处的电压V保持在比第一阈值S1高的值，同时电压Vdc保持高于阈值Vdcmin，并且已持续所定义的时间段t，例如等于三秒，则这意味着过压已经停止并且充电电流保持在略低于晶体管T1的限制电流。然后，晶体管T1被命令断开以使得电压Vdc被抵消。在晶体管T1冷却所必需的所定义的时间段之后，通过与启动时相同的过程对总线电容器Cb进行再充电。然后，逆变器模块13例如根据在线重启类型的命令，在所定义的时间段之后被重启。
本发明的设备14的优点在于控制器具有低电容值的总线电容器Cb。该设备在于采用晶体管T2来减少晶体管T1的非易失性电阻的效应并且因此允许晶体管T1具有冷却的时间。
上述的各种控制次序的描述基于具有常导通晶体管T1、T2的保护设备。但是，应当理解采用常断开类型的晶体管T1、T2也是相同的。但是，在这种情况下，在控制装置中必须具有特定的独立电源以用于控制晶体管T1和T2。
然而，本发明的解决方案也有在过压期间整流器模块12会产生较大电流变动(高di/dt)的缺点。
为了消散产生的能量，可以添加与去耦电容器Cd并联的GMov类型的变阻器M1(如点划线所示)或者添加具有与齐纳二极管Z1并联的常断开JFET晶体管T3。晶体管T3例如采用它的雪崩特性或由特殊的命令而被命令闭合。

Claims (14)

1.一种速度控制器(1)，包括：
-在输入处，整流器模块(12)，用于从电源网络(A)上能获得的交流电压在电力总线(10，11)上产生直流电压，
-总线电容器(Cb)，连接在所述电力总线的正极线路和负极线路之间，和
-逆变器模块(13)，由所述电力总线供电，并且被控制为将交流电压传递至电负载(2)，
其特征在于：
-所述控制器(1)包括用于保护该控制器免受与所述电源网络(A)上的电压变动相关的过流影响的设备(14)，
并且该设备包括：
-JFET晶体管类型的第一电子开关(T1)，其由宽禁带材料制成并且被置于所述电力总线上，且串联在所述整流器模块(12)和总线电容器之间，
-第二电子开关(T2)，安装在所述电力总线上，与所述JFET晶体管并联，
-用于控制所述第一电子开关和所述第二电子开关的装置(140)。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述保护设备(14)被安装在所述电力总线的正极线路(10)上。
3.根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，所述第一电子开关(T1)由碳化硅制成。
4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述第一电子开关(T1)为常闭类型。
5.根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，所述第二电子开关是JFET类型的晶体管(T2)。
6.根据权利要求5所述的控制器，其特征在于，所述第二电子开关由碳化硅制成。
7.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述第二电子开关为常闭类型。
8.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述用于控制所述第一电子开关和第二电子开关的装置(140)被连接在所述电力总线的正极线路(10)和负极线路(11)之间。
9.根据权利要求所述8的控制器，其特征在于，所述控制装置(140)包括充电泵电路，该充电泵电路能够将控制电压施加至所述第一和第二电子开关。
10.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制装置(140)包括存储装置，存储关于在所述第一电子开关(T1)的端子处测量到的电压(V)的阈值(S1)，超过该阈值(S1)则所述第二电子开关由所述控制装置(140)命令断开。
11.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制装置(140)包括存储装置，存储关于在所述电力总线的正极线路(10)和负极线路(11)之间测量到的电压的阈值(S2)，超过该阈值(S2)则所述第二电子开关被命令断开。
12.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，还包括用于保护所述整流器模块(12)免受过压影响的设备。
13.根据权利要求12所述的控制器，其特征在于，所述用于保护整流器模块(12)免受过压影响的设备包括常闭JFET类型的限制晶体管(T3)和齐纳二极管(Z1)，二者被并联连接在所述电力总线的正极线路(10)和负极线路(11)之间。
14.根据权利要求12所述的控制器，其特征在于，所述用于保护整流器模块(12)免受过压影响的设备包括连接在所述电力总线的正极线路(10)和负极线路(11)之间的GMOV类型的变阻器(M1)。
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