CN102377348B - 一种三相交流斩波器 - Google Patents

Abstract

一种三相交流斩波器，连接于三相交流电压源与负载之间，可以提供与输入电压相位相同，幅值变化的电压到负载，其包括：输入滤波电路、半导体开关电路、输出滤波电路，电压极性检测器、开关控制逻辑电路。其中，电压极性检测器的输入端与三相交流电压源相连接，用于检测三相交流电压源的线电压极性，并将检测到的线电压极性信号发给所述开关控制逻辑电路。开关控制逻辑单元根据电压极性检测器发来的电压极性信号，控制半导体开关电路状态的切换。由于本发明的开关控制方法使斩波器在“有源”模式与“续流”模式之间转换时，没有负载中线路电流失去回路的情况发生，因此不会因为过大的电流变化率而在负载和线路电感上产生尖峰电压而导致半导体开关损坏。

Description

一种三相交流斩波器

一、技术领域

本发明涉及一种三相交流斩波器装置，特别是针对采用开关方式将输入交流电压进行幅度调整并输出的变换器。

二、技术背景

相控整流技术作为一种比较成熟的交流调压技术，已在许多场合取代电磁类调压技术，获得了广泛应用。但是相控整流技术具有许多不可克服的缺陷，如受触发角影响功率因数较低、动态响应速度慢、输出低次谐波丰富以及严重的电网谐波电流污染等。近年来基于直流斩波器简单拓扑的交流斩波器成为了一个新的研究热点。交流斩波控制调压技术具有仅取决于负载的功率因数、动态响应速度快、线性调压范围宽以及输入输出易于滤波和波形高度正弦化等优点，可应用于大功率、快速调压等领域。

图1是一种使用开关的方式进行直流电压变换的直流斩波电路示意图，开关K1、开关K2是一个全控开关器件，可以在任意时间开通和关断。电感L₀是储能器件，M为负载。当该斩波电路应用于DC/DC变换时，输入电压与输出电流极性均不发生变化。电路工作时，首先开关K1开通，同时开关K2关断，输入电源通过开关K1向L₀充电，i_L按指数曲线增大。然后开关K1关断，同时开关K2开通，电感L₀中的电流通过开关K2续流，i_L呈指数曲线下降。储能电感L₀越大，电流i_L的波动越小。在DC/DC变换中，为了简化电路，如图2所示，开关K2也可以是一个二极管D，二极管的阴极接到开关K1与储能电感L₀之间，二极管的阳极接输入电源的负极。这样，开关K1在开通对L₀充电时，二极管D反向偏置，没有电流流过二极管D。开关K1关断时，二极D管正向偏置，L₀中的电流通过二极管D续流。直流斩波电路的工作波形如图3所示。

直流斩波电路是工作在输入电压和输出电流的一个象限中。而交流斩波器工作在输入电压与负载电流的四个象限中，使用的开关必须是双向的，这就需要更复杂的拓扑结构和开关控制方法。目前交流斩波器已经有很多拓扑结构和控制方法。图4所示的电路拓扑就是一种比较受欢迎的三相斩波器拓扑结构。为了能在输入电压的正负两个半波都进行开关调制，在交流斩波器中开关必须是双向可控的。图4中，开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6为单向开关，它们分别由一个IGBT和一个反向并联的二极管组成。当开关S1、S3、S5导通，同时开关S2、S4、S6截止时，电路工作在“有源”模式，根据电路电流的方向，或交流电源向负载电路充电或者负载电路向交流电源馈电。当开关S2、S4、S6导通，同时开关S1、S3、S5截止时，电路工作在“续流”模式，负载与电源断开。如果采用某种开关控制策略，使电路在“有源”模式和“续流”模式之间切换时，就实现了对输入电压的斩波调压。

在图4中可以看出，电路在“有源”模式和“续流”模式之间切换时，需要在关断T1或T2中一组开关的同时，开通其中另一组开关。但是，由于实际的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)并非理想开关，在IGBT开通时会存储大量电荷，存储的电荷在IGBT关断复位时会需要一定的时间，当一个控制信号使一个IGBT截止同时使另一个IGBT导通时，被实施截止的IGBT中的电流就会再持续一段时间，这样就会发生T1和T2同时导通而使电路短路的情形，会造成IGBT的损坏。为了防止这种情况的发生，在开关状态转换时，需要插入一小段时间使所有的开关都关断，这段时间被称为“死区时间”。但是，所有的开关同时关断会带来另外一个问题。在斩波电路中常用电感作为续流和储能器件，同时线路中也存在一定的电感，当电路中电感电流会失去回路时，电感两端会产生可能使IGBT损坏的尖峰电压。一般通过缓冲电路抑制电压尖峰，或箝位电路将尖峰电压箝位，也因此而带来了缓冲电路损耗，或箝位功率损耗，这种损耗随着开关频率的增高成线性增长，并随着电压和电流的增大成指数型增长。因此，这种方法只适用于中、小功率阻性负载交流调压领域。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种三相交流斩波器，该斩波器通过在特定的时刻获取输入电压极性信息，并根据该信息控制开关的切换顺序，使斩波器在工作模式切换时，负载线路中电流始终存在回路。斩波器在工作过程中，只在“有源”模式和“续流”模式之间切换时刻，才获取电压极性信息，而在斩波器器进入“有源”或“续流”模式后，斩波器的状态与输入电压极性无关，增强了系统的稳定性，同时减小了输入电源短路的可能性。而且，斩波器在工作模式切换时，负载线路中电流始终存在回路，不会产生很高的电流变化率，避免了在负载和线路电感上产生尖峰电压，防止开关器件损坏。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明的三相交流斩波换器，连接于三相交流电压源与负载之间，可以提供与输入电压相位相同，幅值变化的电压并输出到负载，其包括：输入滤波电路、半导体开关电路、输出滤波电路，还包括：电压极性检测器、开关控制逻辑电路。

输入滤波电路串联在三相交流电压源与半导体开关电路的输入端之间；输出滤波电路串联在半导体开关电路的输出端与负载之间。

所述半导体开关电路是一个三相桥式开关电路，包括六个具有单向导通和截止能力的半导体开关器件，并且每一个半导体开关都与一个二极管反相并联；三相桥式开关电路由三个桥臂组成，每个桥臂由两个半导体开关串联组成，其中一个在该桥臂中称为上桥臂的半导体开关的阳极与另一个在该桥臂中称为下桥臂的半导体开关的阴极相连接；三个桥臂的下桥臂半导体开关的阴极连接到一点；三个桥臂的上桥臂半导体开关的阳极分别为三相桥式开关电路的三相输入的端；三个桥臂的上下桥臂连接点分别为三相桥式开关电路的三相输出端。

所述电压极性检测器的输入端与三相交流电压源相连接，用于检测三相交流电压源的线电压极性，并将检测到的线电压极性信号发给所述开关控制逻辑电路。

所述开关控制逻辑电路能够控制半导体开关电路在“有源”模式与“续流”模式之间转换；所述“有源”模式是指三相桥式开关电路中所有上桥臂半导体开关处于导通状态，所有下桥臂半导体开关处于截止状态；所述“续流”模式是指三相桥式开关电路中所有上桥臂半导体开关处于截止状态，所有下桥臂半导体开关处于导通状态；所述开关控制逻辑电路根据输入电源电压极性信号，在控制半导体开关电路在“有源”模式与“续流”模式之间转换时，没有负载中线路电流失去回路的情况发生。

在本发明的三相交流斩波器中，所述半导体开关可以是双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物场效应管晶体管、磁控管、或门控断流器中的一种。

本发明的三相交流斩波器的开关控制方法。所述三相交流斩波换器包括：输入滤波电路、半导体开关电路、输出滤波电路、电压极性检测器、开关控制逻辑电路。

输入滤波电路串联在三相三线交流电压源与晶体管开关电路的输入端之间；输出滤波电路串联在半导体开关电路的输出端与负载之间。

所述半导体开关电路是一个三相桥式开关电路，包括六个具有单向导通和截止能力的半导体开关器件，并且每一个半导体开关都与一个二极管反相并联；三相桥式开关电路由三个桥臂组成，每个桥臂由两个半导体开关串联组成，其中一个在该桥臂中称为上桥臂的半导体开关的阳极与另一个在该桥臂中称为下桥臂的半导体开关的阴极相连接；三个桥臂的下桥臂半导体开关的阴极连接到一点；三个桥臂的上桥臂半导体开关的阳极分别为三相桥式开关电路的三相输入的端；三个桥臂的上下桥臂连接点分别为三相桥式开关电路的三相输出端。

所述电压极性检测器的输入端与三相交流电压源相连接，用于检测三相交流电压源的线电压极性，并将检测到的线电压极性信号发给所述开关控制逻辑电路。

所述开关控制方法包括以下步骤：

a.控制半导体开关电路在“有源”模式与“续流”模式之间转换；所述“有源”模式是指三相桥式开关电路中所有上桥臂半导体开关处于导通状态，所有下桥臂半导体开关处于截止状态；所述“续流”模式是指三相桥式开关电路中所有上桥臂半导体开关处于截止状态，所有下桥臂半导体开关处于导通状态。

b.半导体开关电路在从“有源”模式向“续流”模式转换时，首先，根据交流三相电压源的线电压极性信号，确定相电压低于其他两相的那一相线路，然后根据以下步骤顺序切换半导体开关的开关状态：

(1)将相电压最低的线路上的桥臂的下桥臂半导体开关打开导通。

(2)将相电压较高的两相线路上的桥臂的上桥臂半导体开关关闭截止。

(3)将相电压较高的两相线路上的桥臂的下桥臂半导体开关打开导通。

(4)将相电压最低的线路上的桥臂的上桥臂半导体开关关闭截止。

c.半导体开关开关电路在从“续流”模式向“有源”模式转换时，首先，根据交流三相电压源的线电压极性信号，确定相电压低于其他两相的那一相线路，然后根据以下步骤顺序切换半导体开关的开关状态：

(1)将相电压最低的线路上的桥臂的上桥臂半导体开关打开导通。

(2)将相电压较高的两相线路上的桥臂的下桥臂半导体开关关闭截止。

(3)将相电压较高的两相线路上的桥臂的上桥臂半导体开关打开导通。

(4)将相电压最低的线路上的桥臂的下桥臂半导体开关关闭截止。

本发明的三相交流斩波器所采用的开关控制方法与现有的交流斩波器开关切换方法相比，有着明显的优点：1、由于本发明的交流斩波器只在开关切换状态时刻检测输入交流电源1电压极性，因此输入交流电源1电压极性信号是非连续反馈到开关逻辑控制单元5，系统不容易产生振荡。2、当电路完全工作在有源模式或续流模式时，开关的状态与输入交流电源电压极性无关，提高了系统的可靠性。3、斩波器在工作模式切换时，负载线路中电流始终存在回路，不会产生很高的电流变化率，避免了在负载和线路电感上产生尖峰电压，防止开关器件损坏。

四、附图说明

图1是现有的直流斩波电路示意图。

图2是现有的直流斩波器简化电路原理图。

图3是现有直流斩波器关键工作波形示意图。

图4是另一种现有三相交流斩波器的原理图。

图5是本发明的三相交流斩波器原理图。

图6是输入电压波形与电压极性信号波形图。

图7a-e是本发明的交流斩波器在不同的开关切换步骤下的等效电路图。

五、具体实施方式

以下参照附图对本发明的交流斩波器装置及其开关控制方法进行详细说明。首先必须声明的是，虽然本发明以下面的实施例进行说明，但是不能以本实施例对本发明进行限制性解释，除以下的特殊说明外可以在权利要求书的范围内实施本发明。

图5是本发明的一个具体实施例。电路包括以下部分：输入滤波电路、半导体开关电路、输出滤波电路，电压极性检测器、开关控制逻辑电路。其中，输入滤波电路和输出滤波电路用于滤除交流斩波器在工作时产生的电压或电流的纹波。半导体开关电路由全控性开关器件IGBT组成，并且每个IGBT反相并联一个二极管。电压极性检测器的三个输入端分别与输入三相电压源的相线相连，a，b，c三相的相电压分别是Va、Vb、Vc。a相和b相之间的线电压为Vab；b和c相之间的线电压为Vbc；c相和a相之间的线电压为Vca。电压极性检测器将检测到的三个线电压极性信号送入开关控制逻辑电路。开关控制逻辑电路根据检测到的各个线电压极性信号，按照一定顺序控制各个IGBT的开通和关断。下面详细介绍交流斩波器的工作过程。

首先介绍开关逻辑控制电路判断相电压最低的线路的方法。方法如下：如图6所示，Pab、Pbc、Pca分别为电压极性检测器得到Vab、Vbc、Vca电压的极性信号。当线电压为正时，对应输出的电压极性信号为1，电压为负时，对应输出的电压极性信号为0。Vab为正，Pab等于1时，表明A相电压高于B相电压；Vbc为负，Pbc等于0时，表明B相电压低于C相电压，当以上两个条件满足时，不管Vca极性如何，B相的相电压低于其他两相。由此，可以得到以下逻辑表。

上表中-表示线电压极性为任意值。根据这张表可以判断出相电压最低的线路。

当斩波器工作在“有源”或“续流”模式下时，输入电压信号与斩波器开关状态无关。当斩波器在“有源”和“续流”模式之间转换时，斩波器的开关按照下述步骤切换开关状态。

以A相电压最低，斩波器从“有源”模式向“续流”模式转换时，分析斩波器的开关切换步骤。斩波器的开始状态为“有源”状态，此时连接a，b，c三相的线路的三个桥臂的上桥臂，也就是与输入电源相连的三个IGBT处于导通状态，而下桥臂的三个IGBT处于截止状态。将导通的IGBT等效为线路短路，而截止的IGBT等效为断路，此时斩波器与输入电源及负载的等效电路可简化为图7a。负载中电流的回路如7a所示。

开关状态开始切换后，首先将处于相电压最低线路的a相桥臂的下桥臂IGBT导通，其余IGBT开关状态不变。此时斩波器与输入电源及负载的等效电路可简化为图7b。负载中电流可能出现的回路如7b所示。

然后，将处于相电压较高线路的b、c相桥臂的上桥臂IGBT同时截止，其余IGBT开关状态不变。此时斩波器与输入电源及负载的等效电路可简化为图7c。负载中电流可能出现的回路如7c所示。

然后，将处于相电压较高线路的b、c相桥臂的下桥臂IGBT同时截止，其余IGBT开关状态不变。此时斩波器与输入电源及负载的等效电路可简化为图7d。负载中电流可能出现的回路如7d所示。

然后，将处于相电压最低线路的a相桥臂的上桥臂IGBT截止，其余IGBT开关状态不变。此时斩波器与输入电源及负载的等效电路可简化为图7e。负载中电流可能出现的回路如7e所示。至此，斩波器已经进入“续流”模式，斩波器所有上桥臂的IGBT处于截止状态，所有下桥臂IGBT处于导通状态。

通过上述步骤，斩波器完成了从“有源”模式向“续流”模式的转换。在整个转换过程中，负载中的电流始终存在回路，避免了电流断路在线路电感上产生尖峰电压。由于从向IGBT施加开关信号到IGBT完全进入导通或截止状态需要一定的时间，在IGBT按照步骤切换开关状态时，每个步骤之间间隔一定的时间，这个时间长度取决于IGBT实际的开通和截止时间，间隔时间应保证每个IGBT完全进入导通或截止状态后，再开始下一个步骤的开关状态切换。在实际应用中，由于干扰信号的存在及电路的延时等因素的影响，在电压过零点处可能出现电压极性检测错误的情况发生，这将导致输入电压的短路，但是在电压过零点处由于电压值较低，电压短路产生的电流也很微弱，因此不会影响电路的正常工作。同时，由于错误的电压极性信号只在开关切换时会导致输入电压短路，而开关切换的时间只维持很短时间，只有几个us，这也减小了输入电压检测错误对斩波器的影响。

在A相电压最低，斩波器从“续流”模式向“有源”模式转换时，只需要按照上述步骤相反的顺序切换开关的状态。

上面详细叙述了当三相电压源的A相处于最低电压时的斩波器工作过程。在B相或C相电压最低时，斩波器工作方式与上述过程类似。斩波器的开关逻辑控制电路可以通过数字电路或微型控制器来实现，这是本领域技术人员所熟知的。无论使用何种方式实现上述斩波器的开关控制方法都属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三相交流斩波器，连接于三相交流电压源与负载之间，能够提供与输入电压相位相同，幅值变化的电压并输出到负载，其包括：输入滤波电路、半导体开关电路、输出滤波电路，其特征在于，还包括：电压极性检测器、开关控制逻辑电路；

输入滤波电路串联在三相交流电压源与半导体开关电路的输入端之间；输出滤波电路串联在半导体开关电路的输出端与负载之间；

所述半导体开关电路是一个三相桥式开关电路，包括六个具有单向导通和截止能力的半导体开关，并且每一个半导体开关都与一个二极管反相并联；三相桥式开关电路由三个桥臂组成，每个桥臂由两个半导体开关串联组成，其中一个在该桥臂中称为上桥臂的半导体开关的阳极与另一个在该桥臂中称为下桥臂的半导体开关的阴极相连接；三个桥臂的下桥臂半导体开关的阴极连接到一点；三个桥臂的上桥臂半导体开关的阳极分别为三相桥式开关电路的三相输入端；三个桥臂的上下桥臂连接点分别为三相桥式开关电路的三相输出端；

所述电压极性检测器的输入端与三相交流电压源相连接，用于检测三相交流电压源的线电压极性，并将检测到的线电压极性信号发给所述开关控制逻辑电路；

所述开关控制逻辑电路能够控制半导体开关电路在“有源”模式与“续流”模式之间转换；所述“有源”模式是指三相桥式开关电路中所有上桥臂半导体开关处于导通状态，所有下桥臂半导体开关处于截止状态；所述“续流”模式是指三相桥式开关电路中所有上桥臂半导体开关处于截止状态，所有下桥臂半导体开关处于导通状态；

所述开关控制逻辑电路根据线电压极性信号，在控制半导体开关电路在“有源”模式向“续流”模式转换时，开关控制逻辑电路首先将处于相电压最低线路的桥臂的下桥臂半导体开关导通，其余半导体开关状态不变；然后将处于相电压较高线路的另外两个桥臂的上桥臂半导体开关同时截止，其余半导体开关状态不变；然后将处于相电压较高线路的另外两个桥臂的下桥臂半导体开关同时导通，其余半导体开关状态不变；最后将处于相电压最低线路的桥臂的上桥臂半导体开关截止；

在控制半导体开关电路在“续流”模式向“有源”模式转换时，开关控制逻辑电路首先将处于相电压最低线路的桥臂的上桥臂半导体开关导通，其余半导体开关状态不变；然后将处于相电压较高线路的另外两个桥臂的下桥臂半导体开关同时截止，其余半导体开关状态不变；然后将处于相电压较高线路的另外两个桥臂的上桥臂半导体开关同时导通，其余半导体开关状态不变；最后将处于相电压最低线路的桥臂的下桥臂半导体开关截止，其余半导体开关状态不变；

在上述模式转换中，没有负载中线路电流失去回路的情况发生。

2.如权利要求1所述的三相交流斩波器，其特征在于，所述半导体开关是绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物场效应晶体管、磁控管、或门控断流器中的一种。

3.一种三相交流斩波器的开关控制方法，其特征在于，所述三相交流斩波器包括：输入滤波电路、半导体开关电路、输出滤波电路、电压极性检测器、开关控制逻辑电路；

输入滤波电路串联在三相交流电压源与半导体开关电路的输入端之间；输出滤波电路串联在半导体开关电路的输出端与负载之间；

所述半导体开关电路是一个三相桥式开关电路，包括六个具有单向导通和截止能力的半导体开关，并且每一个半导体开关都与一个二极管反相并联；三相桥式开关电路由三个桥臂组成，每个桥臂由两个半导体开关串联组成，其中一个在该桥臂中称为上桥臂的半导体开关的阳极与另一个在该桥臂中称为下桥臂的半导体开关的阴极相连接；三个桥臂的下桥臂半导体开关的阴极连接到一点；三个桥臂的上桥臂半导体开关的阳极分别为三相桥式开关电路的三相输入端；三个桥臂的上下桥臂连接点分别为三相桥式开关电路的三相输出端；

所述电压极性检测器的输入端与三相交流电压源相连接，用于检测三相交流电压源的线电压极性，并将检测到的线电压极性信号发给所述开关控制逻辑电路；

所述开关控制方法包括以下步骤：

a.控制半导体开关电路在“有源”模式与“续流”模式之间转换；所述“有源”模式是指三相桥式开关电路中所有上桥臂半导体开关处于导通状态，所有下桥臂半导体开关处于截止状态；所述“续流”模式是指三相桥式开关电路中所有上桥臂半导体开关处于截止状态，所有下桥臂半导体开关处于导通状态；

b.半导体开关电路在从“有源”模式向“续流”模式转换时，首先，根据三相交流电压源的线电压极性信号，确定相电压低于其他两相的那一相线路，然后根据以下步骤顺序切换半导体开关的开关状态：

(1)将相电压最低的线路上的桥臂的下桥臂半导体开关打开导通；

(2)将相电压较高的两相线路上的桥臂的上桥臂半导体开关关闭截止；

(3)将相电压较高的两相线路上的桥臂的下桥臂半导体开关打开导通；

(4)将相电压最低的线路上的桥臂的上桥臂半导体开关关闭截止；

c.半导体开关电路在从“续流”模式向“有源”模式转换时，首先，根据三相交流电压源的线电压极性信号，确定相电压低于其他两相的那一相线路，然后根据以下步骤顺序切换半导体开关的开关状态：

(1)将相电压最低的线路上的桥臂的上桥臂半导体开关打开导通；

(2)将相电压较高的两相线路上的桥臂的下桥臂半导体开关关闭截止；

(3)将相电压较高的两相线路上的桥臂的上桥臂半导体开关打开导通；

(4)将相电压最低的线路上的桥臂的下桥臂半导体开关关闭截止。