CN102291006A - 一种交流斩波器 - Google Patents

Abstract

一种交流斩波器，包括第一桥臂和第二桥臂，每个桥臂由两个开关管串联组成，其中还包括由第一二极管、第二二极管、第一二极管和第二二极管的阴极连接点与第一桥臂和第二桥臂的连接点之间串联的电容、并联在电容两端的电压检测器、并联在电容两端的半导体开关和电阻以及并联在电容两端的辅助设备电源和辅助设备所构成的缓冲电路。缓冲电路的电容不仅能在开关管正常切换关闭时，抑制杂散电感上的电压尖峰，而且当负载突然过载开关管关闭时，电容仍然能充分吸收负载电感上的能量，保证开关管不因过压而损坏，并且不因大电容带来因无功而使输入侧功率因数下降问题，不产生LC谐振，提高了交流斩波器的可靠性，另外电容上的储能能高效利用。

Description

一种交流斩波器

一、技术领域

本发明涉及一种交流斩波器，特别是针对功率开关管设计了一种安全可靠，缓存能量可高效利用的缓冲电路，应用于使用大功率电力电子器件的电力变换系统中。

二、技术背景

在使用交流斩波技术的大功率电力变换系统中，通过控制大功率开关管的开关状态来实现对电压或电流的变换，如变频器或斩波器。以使用IGBT为开关管的交流斩波器为例。由于主电路中存在杂散电感或者负载为感性，当IGBT关闭时，由于电感电流不能突变，因IGBT关闭而导致电流失去回路时，在IGBT的集电极与发射极之间会产生很高的尖峰电压，这会造成IGBT的损坏。为了避免这种情况的发生，人们设计了各种电路来抑制半导体开关管关断时产生的电压尖峰，通常称这种电路为吸收电路或缓冲电路。图1是一个已知的交流斩波器原理电路图，该原理电路图出自文章“新型交流斩波器拓扑结构”(‘Novel topologies of AC choppers’IEE Proc-Electr.Power Appl.，Vol.143，No.4，July 1996)。该交流斩波器由两个桥臂组成，开关S1和S2组成一个桥臂，开关S3和S4组成一个桥臂。每一个开关管都是由一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和一个二极管反向并联组成。为了防止开关管在关闭时产生尖峰电压会导致开关管损坏，每一个桥臂都并联了一个电容，用于抑制线路电感或负载中电感在开关管关断时产生的电压尖峰。当斩波器的第一个桥臂上的开关正常切换全部关闭时，储存在负载电感中的能量通过与开关S1和S3相并联的二极管形成的回路被电容Cb1吸收。当负载电流方向相反时，负载电感的能量被Cb2吸收。这样Cb1和Cb2保证了两个桥臂两端的电压不会超过导致开关管损坏的极限值。电容Cb1和Cb2的大小根据需要吸收的负载电感的能量大小确定，电容Cb1和Cb2的取值太大会增加斩波器的无功电流，使输入侧的功率因数降低；电容Cb1和Cb2的取值太小，当负载突然过载时设备会自动保护将开关管全部关闭，负载过载电流会失去回路，由于负载电感电流不能突变，负载电感产生尖峰电压，会使桥臂1或桥臂2两端的电压高于电容Cb1或Cb2两端的电压，负载过载电流经相应开关管上的反并联二极管流入电容Cb1或Cb2，由于电容Cb1或Cb2的容量小不能完全吸收负载电感上的能量，负载电感的残余能量会使负载电感两端的电压不断升高，因此负载电感的尖峰电压会超过导致开关管损坏的极限值，不能保证负载突然过载情况下的开关管的安全。而且这种电路结构中电容与主电路电感易形成LC谐振电路，交流斩波器的可靠性降低。

三、发明内容

本发明要解决的技术问题是保证开关管正常切换关闭和负载过载开关管全部关闭两种情况下，主电路电感(包括交流斩波器线路杂散电感和负载电感)上的能量被缓冲电容完全吸收，开关管不会因过电压而损坏；并且缓冲电容的加入不会引起斩波器功率因数的下降，以及避免开关管的保护缓冲电容与主电路电感产生谐振和吸收电容上的储能只以热的形式耗散掉。

为了解决上述问题，本发明提供了一种新型交流斩波器，连接于交流电源与负载电路之间，包括：第一桥臂(1)和第二桥臂(2)，每个桥臂由两个半导体开关管串联组成，分别称为上臂和下臂；第一桥臂(1)一端和第二桥臂(2)的一端分别与输入交流电源的两端相连，第一桥臂(1)另一端和第二桥臂(2)的另一端相连；负载电路并联在第一桥臂(1)上下臂连接点和第二桥臂(2)的上下臂连接点之间；其特征是：由第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，电容(C)，半导体开关(Q)，电阻(R)，电压检测器(3)，辅助设备电源(4)，辅助设备(5)所构成的缓冲电路；第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阳极分别与所述交流电源两端相连，第一二极管(D1)的阴极和第二二极管(D2)的阴极相连，第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的连接点与第一桥臂(1)和第二桥臂(2)的连接点之间串联电容(C)，电压检测器(3)的电压信号输入端和电容(C)并联，半导体开关(Q)和电阻(R)串联后与电容(C)并联，电压检测器(3)的输出端连接半导体开关的控制端，辅助设备电源(4)的输入端与电容(C)并联，辅助设备电源(4)的输出端连接辅助设备(5)。

在所述的交流斩波器中，每一个桥臂中的上臂或下臂由一个半导体开关管和一个二极管反向并联构成，其中二极管的阴极连接半导体开关管的集电极，二极管的阳极与半导体开关管的发射极连接，所述的半导体开关管可以是下列开关器件中的一种：双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管，金属氧化硅场效应晶体管，金属氧化硅控制闸流晶体管与闸门电路断开晶体管；所述半导体开关(Q)可以是双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管，金属氧化硅场效应晶体管，金属氧化硅控制闸流晶体管与闸门电路断开晶体管中的一种。

所述辅助设备电源(4)的输入电压范围大于电容(C)两端的电压波动范围，根据辅助设备(5)的供电输入特性，辅助设备电源(4)可以是直流-交流变换电源，也可以是直流-直流变换电源。

本发明所涉及的交流斩波器，由于电容(C)工作在直流状态下，不会引起交流斩波器功率因数下降及带来谐振的问题，电容(C)的容量可以设计的足够大，以满足保证开关管正常切换关闭时电容(C)能完全吸收杂散电感上的能量，抑制杂散电感上的电压尖峰，而且能保证负载过载开关管全部关闭时电容(C)能完全吸收负载电感上的能量，抑制负载电感上的电压尖峰，开关管不因过压而损坏；由于电容(C)相当于加在二极管整流桥两端，不因大容量电容带来因无功而引起输入侧功率因数下降问题；由于二极管D1和二极管D2的单向导电性，电容(C)与主电路电感不易产生LC谐振，提高了交流斩波器的可靠性；另外电容上的储能经辅助电源设备(4)稳压处理后向辅助设备(5)供电，储能得到充分利用。

四、附图说明

图1是现有技术的交流斩波器原理图；

图2是本发明的交流斩波器原理图；

图3是电容吸收杂散电感上的能量流向路径；

图4是电容吸收负载电感上的能量流向路径；

图5是电容吸收电感能量的等效回路。

五、具体实施方式

图2是本发明的一个较佳实施例。下面结合该图详细说明本发明的技术原理和实施方法。斩波器的桥臂由IGBT和一个反向并联的二极管组成。半导体开关(Q)是一个双极型晶体管。

当斩波器正常工作时，负载电路中的电流没有失去回路的情况发生，IGBT集电极和发射极之间没有过电压产生，电容(C)通过二极管D1、D2和并联在每个IGBT上的二极管由交流电源充电。可以看成交流电源由一个二极管组成的全桥整流电路整流后将直流电压加在电容(C)上，辅助设备电源(4)将电容两端的电压进行稳压处理后给辅助设备(5)供电。

下面结合图3和图4详细分析电容(C)抑制交流斩波器线路杂散电感的电压尖峰和负载电感的电压尖峰的原理。当S1或S2正常切换关闭时，由于交流斩波器的线路杂散电感L₁电流不能突变，杂散电感L₁的电流i₁失去回路，电感L₁两端产生尖峰电压

桥臂1两端的电压高于电容(C)两端电压，因此，电流i₁将通过二极管D1以及相应IGBT上的反并联二极管流向电容(C)，阻止桥臂1两端的电压继续增大；当S3或S4正常切换关闭时，由于交流斩波器的线路杂散电感L₂电流不能突变，杂散电感L₂的电流i₂失去回路，电感L₂两端产生尖峰电压

桥臂2两端的电压高于电容(C)两端电压，因此，电流i₂将通过二极管D2以及相应IGBT上的反并联二极管流向电容(C)，阻止桥臂2两端的电压继续增大，电容(C)吸收交流斩波器线路杂散电感上的能量流向路径如图3所示。电容(C)吸收电流后，电容(C)两端电压将升高，有两种情形。情形一：电容(C)两端的电压低于电压检测器(3)的电压门限时，电容(C)吸收的能量经辅助电源(4)稳压后向辅助设备(5)供电；情形二：在主电路电感上产生的能量较高，电容(C)将能量吸收后电压超出电压检测器(3)的电压门限值，电压检测器(3)将控制晶体管(Q)导通，电容(C)中的储能像情形一那样向辅助设备供电，又通过电阻(R)释放掉，当电容(C)两端的电压恢复到的电压检测器(3)的电压门限值以下时，晶体管(Q)截止，电容(C)中多余的储能将通过辅助设备电源(4)由辅助设备(5)消耗掉，并且防止IGBT损坏。

当负载突然过载时，由于过载保护动作，开关管S1、S2、S3、S4全部关闭，负载过载电流瞬间失去回路(由于负载电感远大于交流斩波器线路杂散电感，因此此种情况可忽略线路杂散电感)，由于负载电感L_S的电流i不能突变，负载电感两端产生尖峰电压桥臂1或桥臂2两端的电压高于电容(C)两端的电压，负载过载电流i会通过相应IGBT上的反并联二极管和二极管D1或D2流向电容(C)，电容(C)吸收负载电感上的能量流向路径如图4所示。由于电容(C)容值较大，能完全吸收负载电感上的能量，阻止桥臂1或桥臂2两端电压继续增大。电容(C)吸收过载电流后，电容(C)两端的电压将升高，电容(C)吸收的能量将像上述情形一和情形二那样向辅助设备(5)和电阻(R)供电。

图2中半导体开关管S1、S2、S3、S4其中之一由于其关断导致电流失去回路，主电路电感电流不能突变，电感两端产生电压尖峰，或桥臂1、桥臂2其中之一或全部由于其阻断导致电流失去回路，主电路电感电流不能突变，电感两端产生电压尖峰，使桥臂1或桥臂2两端的电压高于电容(C)两端的电压，电流会经相应开关管的反并联二极管和二极管D1或D2流向电容(C)，所形成的电容(C)吸收电感上的能量等效回路如图5所示。考虑到电容(C)要能完全吸收负载短路情况下的负载电感上的能量，电容(C)容值应满足负载短路情况时的要求。设负载电感为L_S，V₁为交流斩波器正常工作时电容(C)两端电压，V₂为负载短路时电容(C)充电后的电压峰值，i为负载短路时负载电感放电初始电流，C为电容容量，由下式可确定电容容量C值。

$\frac{1}{2}\·L_s\·i^2=\frac{1}{2}\·C\·({V_2}^2-{V_1}^2)$

下面给出了本实例缓冲电路的具体相关参数。

设输入交流电源电压有效值为220V，负载电感L_S为600uH，负载电路短路时负载电流约为1200A，由于负载电感电流不能突变，所以负载电感放电初始电流i为1200A，图2所示的交流斩波器在正常工作时电容(C)两端的电压相当于经二极管全波整流所得，正常时电容(C)的电压V₁平均值为310V，也即为电容(C)的初始平均电压，为了保护开关管，电压检测器设定电压门限值为450V，因此电容(C)的缓冲峰值电压V₂为450V，进一步根据计算结果，可选取电容(C)额定容量为8000uF；根据半导体开关(Q)的额定电流，释放电阻(R)阻值取10Ω；本实施例的辅助设备(5)为冷却风扇，辅助设备电源(4)为直流-直流变换开关电源，根据电容(C)两端的电压范围(310V～450V)，辅助设备电源(4)的输入电压范围取250V～600V。

本发明涉及的交流斩波器，能使缓冲电容上的能量被充分利用，减少了缓冲电路上的损耗；由于电容(C)容量较大，不仅能保证开关管正常切换关闭时电容(C)能完全吸收交流斩波器杂散电感上的能量，抑制杂散电感上的电压尖峰，而且能保证负载过载开关管全部关闭时电容(C)能完全吸收负载电感上的能量，抑制负载电感上的电压尖峰，开关管不因过压而损坏；由于电容(C)相当于加在二极管整流桥两端，不因大容量电容带来因无功而引起输入侧功率因数下降问题，以及二极管D1和二极管D2的单向导电性，电容(C)与主电路电感不存在LC振荡问题，提高了交流斩波器的可高性。

Claims (3)

1.一种交流斩波器，连接于交流电源与负载电路之间，包括：第一桥臂(1)和第二桥臂(2)，每个桥臂由两个半导体开关管串联组成，分别称为上臂和下臂；第一桥臂(1)一端和第二桥臂(2)的一端分别与输入交流电源的两端相连，第一桥臂(1)另一端和第二桥臂(2)的另一端相连；负载电路并联在第一桥臂(1)上下臂连接点和第二桥臂(2)的上下臂连接点之间；其特征是：由第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，电容(C)，半导体开关(Q)，电阻(R)，电压检测器(3)，辅助设备电源(4)，辅助设备(5)所构成的缓冲电路；第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阳极分别与所述交流电源两端相连，第一二极管(D1)的阴极和第二二极管(D2)的阴极相连，第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的连接点与第一桥臂(1)和第二桥臂(2)的连接点之间串联电容(C)，电压检测器(3)的电压信号输入端和电容(C)并联，半导体开关(Q)和电阻(R)串联后与电容(C)并联，电压检测器(3)的输出端连接半导体开关的控制端，辅助设备电源(4)的输入端与电容(C)并联，辅助设备电源(4)的输出端连接辅助设备(5)。

2.根据权利要求1所述交流斩波器，其特征在于，每一个桥臂中的上臂或下臂由一个半导体开关管和一个二极管反向并联构成，其中二极管的阴极连接半导体开关管的集电极，二极管的阳极与半导体开关管的发射极连接，所述的半导体开关管可以是下列开关器件中的一种：双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管，金属氧化硅场效应晶体管，金属氧化硅控制闸流晶体管与闸门电路断开晶体管；所述半导体开关(Q)可以是双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管，金属氧化硅场效应晶体管，金属氧化硅控制闸流晶体管与闸门电路断开晶体管中的一种。

3.根据权利要求1所述交流斩波器，其特征在于，辅助设备电源(4)的输入电压范围大于电容(C)两端的电压波动范围，根据辅助设备(5)的供电输入特性，辅助设备电源(4)可以是直流-交流变换电源，也可以是直流-直流变换电源。

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