CN102088250B - 使用常通场效应晶体管的电流源功率转换器 - Google Patents

使用常通场效应晶体管的电流源功率转换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电流源功率转换器，在它的整流器模块(20)和/或它的逆变器模块中包括开关臂，其装备了常通场效应晶体管(T1-T6、Q1-Q6)，每个受控于栅极控制器件(CT1、CT2)。本发明具有这样的特别特征：常断辅助开关(SW)与开关臂串联安置并且连接到电源总线的正极线(10)。该辅助开关用于在启动期间或在辅助电源(AUX)的故障期间防止电源(R)短路。

Description

使用常通场效应晶体管的电流源功率转换器
技术领域
本发明涉及一种使用常通场效应晶体管的电流源功率转换器。该功率转换器可以在各种应用中使用，诸如可变速度驱动器、不间断电源、有源滤波器或DC/DC转换器。
背景技术
如已经知道的，开始于AC电流源，电流源功率转换器能够被用来通过有源整流器模块在具有电感器的电源总线上获得恒定的DC电流。在可变速度驱动器应用中，流经电源总线的该恒定电流然后被逆变器模块斩波从而获得要提供给电负载的可变输出电流。
电流源功率转换器包括上游连接到由电流源供电的几个输入端的整流器模块、连接整流器的下游并且提供有正极线和负极线的电源总线、连接到电源总线的正极线和/或负极线的电感器、以及连接到电源总线的下游并且设计为对电负载提供可变电流的逆变器模块。电流源功率转换器从由ThomasFriedli、Simon D.Round、Dominik Hassler和Johann W.Kolar所著的标题为“Design and Performance of a 200kHz All-SiC JFET Current Source Converter”的出版物中熟知。整流器模块包括连接在电源总线的正极线和负极线之间的若干开关臂，每一开关臂包括串联的两个晶体管和位于两个晶体管之间且链接到输入端之一的连接中点。整流器模块也包括连接在电源总线的正极线和负极线之间的若干开关臂，每一开关臂包括串联的两个晶体管和位于两个晶体管之间且链接到要控制的电负载的连接中点。在前述的出版物中，整流器模块和逆变器模块的晶体管是常通SiC JFET，也即当没有电压施加到它们的栅极时它们导电。常通组件非常适合用于电流源功率转换器，因为这类型的转换器要求两个晶体管永久地导电，从而电流源从不连接到开路电路(opencircuit)。
可是，当使用常通组件时有必要在启动期间或在辅助电源的故障期间防止电源(mains)短路，该辅助电源用来控制晶体管的栅极。
在前述的出版物中，为了防止电源短路，建议了在连接到电源的输入级、整流器的上游放置在启动期间切换成断开状态的继电器。可是，该解决方案不令人满意，因为存在于输入级的三个继电器必须使尺寸合适以经受全部的电流和全部的电源电压。
发明内容
因此本发明的目的是提供电流源功率转换器，其使用常通组件并且在启动期间或在用来控制晶体管的栅极的辅助电源的潜在故障期间防止电源短路，并且无需采用特大型组件来实现之。
通过功率转换器实现该目的，该功率转换器包括：
-整流器模块，上游连接到由电流源供电的几个输入端；
-电源总线，连接到整流器模块的下游并且提供有正极线和负极线；
-电感器，连接到电源总线的正极线或负极线；
-整流器模块，包括连接在电源总线的正极线和负极线之间的若干开关臂，每一开关臂包括串联的上部晶体管和下部晶体管以及位于上部晶体管和下部晶体管之间且链接到输入端的连接中点；
-晶体管是常通场效应晶体管并且每个被栅极控制器件控制；
-辅助常断开关，与开关臂串联安置并且连接到电源总线的正极线；
-用于控制该辅助开关的控制器件。
根据一个特征，该转换器包括逆变器模块，连接到电源总线的下游和要控制的电负载的上游。
根据另一个特征，每个晶体管由栅极控制器件控制，并且上部晶体管的栅极控制器件连接到电源总线的正极线。
根据另一个特征，该转换器包括连接在电源总线的正极线和负极线之间的过电压保护系统。
根据另一个特征，该转换器包括用于检测故障的部件，设计来与用于辅助开关的控制器件相互作用。
根据另一个特征，该辅助开关是机电继电器，或者是MOSFET、BJT或IGBT电开关。
根据另一个特征，该开关臂的上部和下部晶体管是JFET。
根据另一个特征，该JFET晶体管由碳化硅或氮化镓制成。
附图说明
通过在附图中示出的以示例给出的本发明的实施例的以下详细描述，本发明的其它特征和优点将变得明了，其中：
图1示出使用基于常通JFET晶体管的整流器模块的本发明的功率转换器；
图2A和2B示出在图1所见的过电压保护系统的两个不同变型的实施例。
具体实施方式
本发明涉及电流源功率转换器。本发明的电流源功率转换器可以在各种应用中使用，诸如可变速度驱动器、不间断电源(UPS)、有源滤波器或DC/DC转换器。
因此，作为在电源中的示例，本发明的电流源功率转换器包括单个整流器模块，或者作为可变速度驱动器中的示例，本发明的电流源功率转换器组合整流器模块和逆变器模块。
本发明的原理在于在整流器模块中使用常通场效应晶体管。常通组件非常适合于在电流源功率转换器中使用。可是，这导致有必要解决的其他问题。要解决的第一问题出现在转换器的启动期间而第二问题会出现在用来向晶体管传递栅极电压的辅助电源的故障期间。在两种情况中，在控制电压无法施加到晶体管的栅极时必须防止电源短路。
图1示出包括一端连接到电源R和另一端连接到整流器模块20的若干输入端in1、in2、in3(例如在三相电源中的三个输入端)的电流源功率转换器。整流器模块20是有源类型并且包括若干开关臂，例如三个开关臂，用于将施加于连接到电源R的转换器输入端in1、in2、in3的AC电流转换为恒定DC电流。获得的恒定DC电流被施加于提供有正极线10和负极线11的电源总线。转换器还包括连接到电源总线的正极线10或负极线11的至少一个电感器L1。理想地，转换器可以包括连接到电源总线的正极线10的第一电感器L1和连接到电源总线的负极线11的第二电感器L2(见图1)。整流器模块20的三个开关臂每个并联连接在电源总线的正极线10和负极线11之间。每个开关臂包括由链接到转换器的不同输入端in1、in2、in3的连接中点M1、M2、M3分开的上部晶体管T2、T4、T6和下部晶体管T1、T3、T5。在电流源功率转换器中，每个晶体管T1-T6与二极管串联连接。
根据本发明，整流器模块的每个晶体管T1-T6是常通场效应晶体管。诸如以JFET或MOSFET为例的场效应晶体管是公知的电子功率开关，其包括控制栅极(G)，其功能是允许或阻止电流在漏极(D)和源极(S)之间流动。如果在栅极和源极之间的电压VGS是接近于零，则此类晶体管就称为常通晶体管。这意味者在缺少控制电压VGS的情况下漏源路径导电。在栅极和源极之间存在负的控制电压VGS的情况下，常通场效应晶体管处于截止状态。通过施加例如至少-15伏特的栅-源电压VGS来截止常通JFET晶体管以及通过施加例如至少-5伏特的电压VGS来截止常通MOSFET晶体管。
在本发明的功率转换器中使用的场效应晶体管T1-T6例如将由宽带隙材料(诸如碳化硅或氮化镓)制成。众所周知，由宽带隙材料制成的常通JFET晶体管具有如下优点：快速切换，产生较少导通状态导电损失(低导通状态电阻RDSon)，具有更好的耐热性和更加细小。在后面的说明中和在附图1中，图1的晶体管T1-T6例如是JFET。
使用特定栅极控制器件CT1、CT2(在图1中由两个单独的块以简化的方式示意)断开开关臂的每个场效应晶体管T1-T6。每个栅极控制器件由连接到转换器的输入端in1、in2、in3的辅助电源AUX供电，这允许栅极电压VG被施加到晶体管从而截止或导通晶体管。除了该电源，每个控制器件根据中央控制系统3执行的控制规则从中央控制系统3接收PWM(脉宽调制)控制信号S1到S6。上部晶体管T2、T4、T6的每个控制器件连接到电源总线的正极线10，而下部晶体管T1、T3、T5的每个控制器件连接到其晶体管的开关臂的连接中点M1、M2、M3。
根据本发明，常断的辅助开关SW串联连接于开关臂并且将开关臂链接到电源总线的正极线10。换句话说，该辅助开关SW连接在整流器模块20的上部晶体管T2、T4、T6和电源总线的正极线10之间。在图1，辅助开关SW连接到结合于三个开关臂的三个上部晶体管T2、T4、T6的漏极的导线5上的点X。
辅助开关SW可以是例如机电继电器，例如MEMS(微机电系统)，或它可以是MOSFET(金属氧化物半导体FET)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)或BJT(双极结式晶体管)电开关。在图1，辅助开关由硅MOSFET表示。当各种条件同时满足时(也即当没有UVLO(欠压封锁)出现在辅助电源时，当过电流保护(OP)没有被启动和当信号Y由中央控制系统3提供时)，辅助开关SW由受控于由模块4传递的控制信号S的适当的公知控制器件CSW(本申请中不给出其详细情况)来闭合。
当然，作为等价操作，完全可以将共用于三个开关臂的辅助开关SW替换为串联连接在每个开关臂上的一个辅助开关SW，这些辅助开关全部被同时控制。该实施例没有在附图中示出，但是它完全落入本发明的范围中。
图1所示的电流源功率转换器可以在它的电源总线的下游包括逆变器模块(图1中未示出)，用于将总线中流动的DC电流斩波从而产生用于提供给电负载的可变电流。在这种情况下，作为示例的一个可能的应用是可变速度驱动器。
另外，电流源功率转换器可以包括连接在电源总线的正极线10和负极线11之间的过电压保护系统6。当辅助开关SW断开时(虽然总线中流经的电流仍然不是零)，该系统6用于防止过电压因此保护整流器模块20。在这种情况下，跨越保护系统6的端子的电压趋于变为开启保护系统6的负电压以提供在电源总线的正极线10和负极线11之间的电流路径。
在图2A示出的第一变型实施例中，过电压保护系统6可以是简单的二极管D1，连接来从而允许电流从电源总线的负极线11流向正极线10，以及当电压变为负时，允许电流从电源总线的正极线10流向负极线11。
在图2B示出的第二变型实施例中，过电压保护系统6包括连接在电源总线的正极线10和负极线11之间的闸流晶体管SCR。在该变型中，系统6还包括由串联的电容器C1和第一二极管D10组成的第一组件，并且第一组件并联连接到闸流晶体管SCR的阳极和阴极之间。另外，系统还包括并联连接到闸流晶体管SCR的触发端和阳极之间的由第二二极管D11和反向的齐纳二极管Dz组成的第二组件。电阻器R1也并联连接到第一二极管D10。当跨越保护系统的端子之间的电压变为负时，电容器充电。当跨在齐纳二极管Dz的端子的电压达到最大时，串联的两个二极管D11、Dz传递电流并且启动闸流晶体管SCR，然后其从电源总线的正极线10向负极线11传递电流。
下面解释装备了辅助开关SW的本发明的功率转换器的操作。
在启动时，辅助电源系统AUX仍然未启动因此无法传递足够的电压以截止整流器模块20的晶体管T1-T6。由于辅助开关SW初始断开，故电流无法流经整流器模块的开关臂并且短路电源R。
在一段时间之后，辅助电源系统AUX已经启动并且能够为整流器模块20的晶体管T1-T6的控制器件CT1、CT2供电。因此晶体管T1-T6能够直接通过它们的控制器件CT1、CT2而截止。辅助开关SW通过它的控制器件CSW而闭合，然后功率转换器能够正常地工作。
在功率转换器的正常操作期间，辅助电源系统AUX可能例如存在故障。在这种情况下，开关模块的晶体管T1-T6不再保持在截止状态。如图1示出，当检测到故障时，控制信号Y不再能被产生和发送到用于辅助开关SW的控制器件CSW。辅助开关SW因此断开。这样，如前一样，电流因此不再能流经整流器模块20的开关臂并且短路电源R。
本发明的益处尤其在于这样的事实，其可以使用单个辅助开关SW来解决提及的问题。另外，没有必要规定开关的尺寸以经受作为输入施加的全部电压。辅助开关SW必须规定尺寸以经受全部的电流但是可以规定尺寸为经受较小的电压而非最大的电压。

Claims (8)

1.一种功率转换器，包括：
-整流器模块(20)，上游连接到由电流源供电的几个输入端(in1、in2、in3)；
-电源总线，连接到整流器模块(20)的下游并且提供有正极线(10)和负极线(11)；
-电感器(L1、L2)，连接到电源总线的正极线(10)或负极线(11)；
-整流器模块(20)，包括连接在电源总线的正极线(10)和负极线(11)之间的若干开关臂，每一开关臂包括串联的上部晶体管(T2、T4、T6)和下部晶体管(T1、T3、T5)以及位于上部晶体管和下部晶体管之间且链接到输入端(in1、in2、in3)的连接中点(M1、M2、M3)；
-晶体管(T1-T6)，其是常通场效应晶体管并且每个被栅极控制器件(CT1、CT2)控制，
其特征在于该功率转换器包括：
-辅助常断开关(SW)，与开关臂串联安置并且连接到电源总线的正极线(10)；
-用于控制辅助开关(SW)的控制器件(CSW)。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于它包括逆变器模块，连接电源总线的下游和要控制的电子负载的上游。
3.根据权利要求1或2所述的功率转换器，其特征在于每个晶体管由栅极控制器件控制以及其特征在于用于上部晶体管(T2、T4、T6)的栅极控制器件连接到电源总线的正极线(10)。
4.根据权利要求1到3中一个所述的功率转换器，其特征在于它包括连接在电源总线的正极线(10)和负极线(11)之间的过电压保护系统(6)。
5.根据权利要求1到4中一个所述的功率转换器，其特征在于它包括用于检测故障的部件，设计来与用于辅助开关(SW)的控制器件(CSW)相互作用。
6.根据权利要求1到5中一个所述的功率转换器，其特征在于该辅助开关(SW)是机电继电器，或者是MOSFET、BJT或IGBT电子开关。
7.根据权利要求1到6中一个所述的功率转换器，其特征在于该开关臂的上部和下部晶体管是JFET。
8.根据权利要求7所述的功率转换器，其特征在于JFET晶体管由碳化硅或氮化镓制成。
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