CN101707479A - 桥式双向电子开关及用它构成的交流斩波器主电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥式双向电子开关及用它构成的交流斩波器主电路。其桥式双向电子开关是一种直流侧带电容的桥式结构，在该桥式结构的四个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件。其交流斩波器主电路中主开关和续流开关用该桥式双向电子开关代替。由于该桥式双向电子开关的直流侧带电容，故它不仅具有双向电子开关的功能，同时，还具备双向吸收输出电感能量的能力，它可在交流斩波器的主开关和续流开关全部关断时提供一个自然的续流通道，并由所述的直流侧电容吸收该能量，从而避免了开关器件过压而损坏。

Description

桥式双向电子开关及用它构成的交流斩波器主电路

技术领域

本发明涉及一种双向电子开关及交流斩波器，具体地说，它是一种桥式双向电子开关及用它构成的交流斩波器主电路。

背景技术

普通的交流斩波器一般都由主电路和控制电路组成，其主电路形式如图7所示，电路中的开关S₁是主开关，开关S₂是续流开关，这两个开关均由双向电子开关构成。当主开关S₁导通而续流开关S₂关断时，交流斩波器的输出电压等于电源电压，即u_o＝u_s；当主开关S₁关断而续流开关S₂导通时，交流斩波器的输出电压等于零，即u_o＝0。通常电路中双向电子开关S₁、S₂采用如图8～11所示的结构之一，其中开关器件k1、k2可以是功率开关管IGBT、MOSFET、三极管或其它类型的自关断器件，它们均具有双向关断电流的能力。工作时，由控制电路产生一个脉宽信号PWM，控制开关S₁、S₂的交替导通，以实现如图12所示的交流斩波输出。交流斩波器一般采用等占空比的PWM控制方式，通过改变占空比来控制交流斩波器输出电压的大小。该交流斩波器存在的问题是：如果采用上述现有的双向电子开关结构，当电路中所有开关器件S₁、S₂关断后，电感电流i_L没有续流通道，电感L上将产生高压加在开关器件上，使开关器件非常容易因过压而损坏。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有双向电子开关用于交流斩波器的缺点，提供一种桥式双向电子开关及用它构成的交流斩波器主电路，以避免上述电感高压击穿交流斩波器中的开关器件。

为实现上述目的，本发明桥式双向开关的第一技术方案如下：

它具有一个桥式结构，在该桥式结构的直流侧接有一个电容，在该桥式结构的四个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件，并且所述上半桥和下半桥上的开关器件各自连接构成一个双向电子开关，从而形成上、下两个双向电子开关的并联。

本发明桥式双向开关的第二技术方案如下：

它具有一个桥式结构，在所述桥式结构的直流侧接有一个电容，在该桥式结构下半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件，而在上半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管，所述下半桥上的两个开关器件连接构成一个双向电子开关；或者在上半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件，而在下半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管，所述上半桥上的两个开关器件连接构成一个双向电子开关。

本发明交流斩波器主电路的技术方案如下：

它由主开关和续流开关构成，所述的主开关串联在由交流电源(us)和负载串联构成供电回路中，所述的续流开关并联在负载上，所述的主开关和续流开关均为双向电子开关，其特殊之处在于所述的双向电子开关具有一个桥式结构，在所述桥式结构的直流侧接有一个电容，在该桥式结构的四个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件，并且所述上半桥和下半桥上的开关器件各自连接构成一个双向电子开关，从而形成上、下两个双向电子开关的并联；或者在该桥式结构下半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件，而在上半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管，并且该下半桥上的两个开关器件连接构成一个双向电子开关；或者在该桥式结构的上半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件，而在下半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管，并且该上半桥上的两个开关器件连接构成一个双向电子开关.

一、本发明的双向电子开关采用了与已有双向开关完全不同的结构形式，由于它采用了直流侧带电容的桥式结构，故它不仅具有双向电子开关的功能，同时，还具备双向吸收输出电感能量的能力。用本发明提供的双向电子开关代替交流斩波器中的双向电子开关，它可在交流斩波器的主开关和续流开关全部关断时为电感电流提供一个自然的续流通道，并由所述的直流侧电容吸收该能量，从而避免了开关器件过压而损坏。

二、本发明双向开关的第一方案提供了两个并联的双向电子开关结构，如果交流斩波器中的主开关和续流开关均采用该种双向电子开关结构，就可以通过控制两个电子开关的交替导通来提高斩波频率的限极值，从而最大限度地减小输出电流的脉动。

附图说明

图1、本发明双向电子开关的电路结构图之一。

图2、本发明双向电子开关的电路结构图之二。

图3、本发明双向电子开关的电路结构图之三。

图4、本发明交流斩波器的电路原理图之一。

图5、图4交流斩波器中双向电子开关S₁、S₂的控制信号波形图。

图6、本发明交流斩波器的电路原理图之二。

图7、现有交流斩波器的电路原理图。

图8、现有双向电子开关的电路结构图之一。

图9、现有双向电子开关的电路结构图之二。

图10、现有双向电子开关的电路结构图之三。

图11、现有双向电子开关的电路结构图之四。

图12、交流斩波器的输出波形图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，本发明所述的双向电子开关具有一个桥式结构，在该桥式结构的直流侧接有一个电容C₁，在该桥式结构的四个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件S_1d1、S_1r1、S_1d2、S_1r2，并且上半桥上的开关器件S_1r2、S_1d2连接构成一个双向电子开关，而下半桥上的开关器件S_1d1、S_1r1连接构成另一个双向电子开关，这两个双向电子开关为并联连接。所述的自关断开关器件可以是功率开关管IGBT、MOSFET、三极管或其它类型的自关断器件。当开关器件S_1d1、S_1r1导通时，下半桥的双向电子开关(以下简称下半桥开关)导通，即正向电流可以从A端通过开关器件S_1d1和开关器件S_1r1的续流二极管流向B端，而负向电流可以从B端通过开关器件S_1r1和开关器件S_1d1的续流二极管流向A端。同理，当开关器件S_1r2、S_1d2导通时，上半桥的双向电了开关(以下简称上半桥开关)双向导通。由于本双向电子开关是上半桥和下半桥两个双向电子开关并联，所以可以通过控制上半桥开关或下半桥开关一个开关的导通来完成双向开关的功能，也可以通过控制上半桥开关和下半桥开关的交替导通来完成双向开关的功能。如果采用上半桥开关和下半桥开关交替导通的控制方式，则两个双向电子开关的开关频率可以下降一半，从而降低开关器件的损耗，延长其使用寿命；反之，如果需要提高开关频率，则本双向电子开关的极限频率可比单一双向电子开关的提高一倍(即假设开关器件的极限频率是10kHz，本开关的极限频率就是20kHz)。如果将本双向电子开关交替导通的工作模式用于交流斩波器，则可提高交流斩波器的斩波频率，减小输出电流的脉动，具体电路如下例所示。

实施例2

参见图4、5，本例采用实施例1提供的双向电子开关构成交流斩波器，它由主开关S₁和续流开关S₂构成，所述的主开关S₁串联在由交流电源u_s和负载串联构成供电回路中，所述的续流开关S₂并联在负载上，所述的负载由输出电感L和负载电阻R串联构成。本例的特点是主开关S₁和续流开关S₂均采用实施例1所述的双向电子开关。

其工作原理如下：通常情况下，用脉宽信号PWM控制主开关S₁中上半桥开关或下半桥开关的导通与截止，而用脉宽信号PWM控制续流开关S₂中上半桥开关或下半桥开关的导通与截止，其输出端即可以得到如图12所示的交流斩波电压u_o，这种控制方式与已有交流斩波器的控制方式相同。如果需要提高交流斩波器性能(即降低开关器件的损耗或提高斩波频率)，则用脉宽信号PWM1和PWM1’分别控制主开关S₁中上半桥开关和下半桥开关的导通与截止，而用脉宽信号PWM2和PWM2’分别控制续流开关S₂中上半桥开关和下半桥开关的导通与截止，使主开关S₁和续流开关S₂的导通由上半桥开关和下半桥开关的交替导通来实现。图5中示出脉宽信号PWM的占空比为50％，调节其占空比可以调节交流斩波器输出电压u_o的大小。

再参见图4，当主开关S₁和续流开关S₂中所有的开关器件都关断时，不论电源电压u_s与电感电流i_L极性相同还是相异，开关器件的续流二极管及电容C₁、C₂都能为电感电流i_L提供低阻抗的续流通道：

1、如果开关器件关断时电源电压u_s与电感电流i_L的极性相同，并且电源电压u_s和电感电流i_L都为正(电感电流i_L为如图4所示的方向)，这时，电流i_L的续流通道为：u_s正极——S_1r2的续流二极管——C₁——S_1r1的续流二极管——L——R——u_s负极。

2、如果开关器件关断时电源电压u_s与电感电流i_L的极性相同，并且电源电压u_s和电感电流i_L都为负(电感电流i_L为如图4所示的反方向)，这时，电流i_L的续流通道为：u_s负极——R——L——S_1d2的续流二极管——C₁——S_1d1的续流二极管——u_s正极；

3、如果开关器件关断时电源电压u_s与电感电流i_L的极性相反，并且电源电压u_s为正，电感电流i_L为负(电感电流i_L为如图4所示的反方向)，这时，电流i_L的续流通道为：S_2r2的续流二极管——C₂——S_2r1的续流二极管——R——L。

4、如果开关器件关断时电源电压u_s与电感电流i_L的极性相反，并且电源电压u_s为负，电感电流i_L为正(电感电流i_L为如图4所示的方向)，这时，电流i_L的续流通道为：S_2d2的续流二极管——C₂——S_2d1的续流二极管——L——R。

正是因为本斩波器为电感电流i_L提供了上述续流通道，故电感L上不会产生高压，同时，在这一过程中由电流i_L为电容C₁、C₂充电，当电感L中的能量释放完后，电容C₁、C₂也充电饱和，使电容上的电压高于电源电压u_s，则续流二极管截止而阻断上述续流通道，使斩波器处于彻底关断状态。

实施例3

参见图2，本双向电子开关与实施例1结构相似，它也具有一个桥式结构，在该桥式结构的直流侧接有一个电容C₃，在该桥式结构下半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件S_3d1、S_3r1，而在上半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管S_3r2、S_3d2，下半桥上的两个开关器件S_3d1、S_3r1连接构成一个双向电子开关。控制下半桥上的开关器件S_3d1、S_3r1导通，即可实现双向电子开关的功能。

实施例4

参见图3，本双向电子开关与实施例3结构相似，它也具有一个桥式结构，在该桥式结构的直流侧接有一个电容C₄，在上半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件S_4r2、S_4d2，而在下半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管S_4d1、S_4r1，所述上半桥上的两个开关器件连接构成一个双向电子开关。控制上半桥上的开关器件S_4r2、S_4d2导通，即可实现双向电子开关的功能。

实施例5

上述实施例3、4中所述的双向电子开关，可以对图4中的主开关S₁和续流开关S₂做替换，即替换S₁、S₂中的一个或全替换，均可完成交流斩波和提供续流通路。参见图6，本例将实施例3给出的双向电子开关替换图4中的主开关S₁，将实施例4给出的双向电子开关替换图4中的续流开关S₂。用图5中的脉宽信号PWM控制开关器件S_3d1、S_3r1的导通，而用脉宽信号PWM控制S_4r2、S_4d2导通，即可完成交流斩波功能。当开关器件S_3d1、S_3r1、S_4r2、S_4d2全关断时，它们的续流二极管和所述的单向导通二极管可以提供如实施例2中所述的续流通道，同样可避免电感L产生高压。

Claims (3)

1.一种桥式双向电子开关，其特征是：它具有一个桥式结构，在该桥式结构的直流侧接有一个电容(C₁)，在该桥式结构的四个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件(S_1d1、S_1r1、S_1d2、S_1r2)，并且所述上半桥和下半桥上的开关器件各自连接构成一个双向电子开关，从而形成上、下两个双向电子开关的并联。

2.一种桥式双向电子开关，其特征是：它具有一个桥式结构，在所述桥式结构的直流侧接有一个电容，在该桥式结构下半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件(S_3d1、S_3r1)，而在上半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管(S_3r2、S_3d2)，所述下半桥上的两个开关器件(S_3d1、S_3r1)连接构成一个双向电子开关；或者在上半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件(S_4r2、S_4d2)，而在下半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管(S_4d1、S_4r1)，所述上半桥上的两个开关器件(S_4r2、S_4d2)连接构成一个双向电子开关。

3.一种用权利要求1或2所述桥式双向电子开关构成的交流斩波器主电路，它由主开关(S₁)和续流开关(S₂)构成，所述的主开关(S₁)串联在由交流电源(u_s)和负载(L、R)串联构成供电回路中，所述的续流开关(S₂)并联在负载(L、R)上，所述的主开关(S₁)和续流开关(S₂)均为双向电子开关，其特征是：所述的双向电子开关具有一个桥式结构，在所述桥式结构的直流侧接有一个电容，在该桥式结构的四个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件(S_1d1、S_1r1、S_1d2、S_1r2)，并且所述上半桥和下半桥上的开关器件各自连接构成一个双向电子开关，从而形成上、下两个双向电子开关的并联；或者在该桥式结构下半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件(S_3d1、S_3r1)，而在上半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管(S_3r2、S_3d2)，并且该下半桥上的两个开关器件(S_3d1、S_3r1)连接构成一个双向电子开关；或者在该桥式结构的上半桥的两个桥臂上各接有一个带续流二极管的自关断开关器件(S_4r2、S_4d2)，而在下半桥的两个桥臂上各接有一个单向导通二极管(S_4d1、S_4r1)，并且该上半桥上的两个开关器件(S_4r2、S_4d2)连接构成一个双向电子开关。

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