CN104040868A - 具有较少的缓冲电容器的逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种用于将DC电流转换为AC电流的电逆变器18包括至少一个半桥54。所述半桥54包括至少两个串联的半导体开关58a、58b、58c、58d，所述至少两个串联的半导体开关将逆变器18的输入端子54、56与输出端子50互连。缓冲电容器62a、62b与所述半桥54的至少两个半导体开关58a、58b、58c、58d并联。

Description

具有较少的缓冲电容器的逆变器
技术领域
本发明涉及电逆变器，例如，用于X射线设备的电逆变器，还涉及用于切换电逆变器的方法、计算机程序和计算机可读介质。本发明还涉及高电压设备。
背景技术
在很多高功率设备中，例如，在X射线成像设备中，对来自电网的AC输入电压整流，并将其变换成可能与AC输入电压具有不同的频率和幅度的AC输出电压。可以采用所述AC输出电压为负载供电。例如，在具体的X射线设备中，将AC输出电压提供给升压变压器，对其整流并将其用于X射线管的操作。
具体而言，在这样的高功率应用中，可以将获得三相AC输入电压的市电电源连接至作为前端的B6二极管整流器(三个半桥)，其将生成提供给DC链路的未经调节的DC电压。根据具体国家的电网电压，预计AC输入电压范围是380-480V AC。考虑到市电电源阻抗和电压容差，其可以得到接近400-750V的DC链路电压范围。为了在接下来的高频率切换逆变器(例如，H桥逆变器)中采用通用的600V功率半导体器件，在二极管整流器和逆变器之间可能必需额外的DC-DC转换器，例如，降压转换器，从而稳定输入到逆变器的DC链路电压(例如，稳定至400V)。
EP 2286423 A1示出了这样的采用双级逆变器供电的X射线设备。
发明内容
为了降低开关损耗，可以采用多级逆变器来替代DC-DC转换器和H桥，例如，采用5级逆变器。这一5级逆变器可以在400-750V的未经控制的DC链路电压范围内生成处于相同频率范围内的相同输出功率。为了降低切换损耗，所述逆变器可以以零电压开关模式(ZVS模式)工作。
5级逆变器的多级半桥可以包括至少四个串联的半导体开关。为了获得零电压开关，可以将缓冲电容器设置为与四个开关中的每者并联。这有时可能导致硬开关。
本发明的目的在于提供具有低切换损耗的电逆变器。
这一目的可以通过独立权利要求中的主题来实现。其他示范性实施例从从属权利要求和下述说明中显而易见。
本发明的一个方面涉及用于将DC电流转换为AC电流的电逆变器。
根据本发明实施例,所述逆变器包括至少一个半桥。所述半桥包括至少两个串联的半导体开关，所述至少两个串联的半导体开关将逆变器的输入端子和输出端子互连。缓冲电容器与所述半桥的至少两个串联半导体开关并联。
可以说本发明的要点在于，仅一个缓冲电容器与半桥的两个半导体开关并联，而不是使缓冲电容器与两个半导体开关中的每者并联。在仅有一个缓冲电容器的情况下，即使在两个开关当中只有一个闭合的情况下也可以使缓冲电容器放电。
通过这样的方式，如果仅使一个电容器跨越两个半导体开关并联，那么可以避免硬开关。例如，可以将一个电容器布置(连接)为与两个高侧开关并联，一个电容器与半桥的两个低侧的开关并联。其可以避免硬开关条件，并且可以降低缓冲电容器的数量。因而，这种解决方案可以确保在接通电容器的对应的两个半导体开关之前对所述电容器放电。
本发明的另一方面涉及一种用于对电逆变器进行切换的方法。
根据本发明的实施例，所述方法包括下述步骤：通过如下的方式对所述半桥中的半导体开关进行切换：使得在所述半桥的输出端子处生成的电压变化相对于从所述输出端子流向负载的电流的符号具有相反方向。
本发明的另一方面涉及一种用于对电逆变器进行控制的计算机程序，所述计算机程序在由处理器运行时，适于执行在上文和下文中描述的方法，本发明还涉及一种存储有这样的计算机程序的计算机可读介质。计算机可读介质可以是软盘、硬盘、USB(通用串行总线)存储设备、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)和EPROM(可擦除可编程只读存储器)。计算机可读介质还可以是允许下载程序代码的数据通信网络，例如，Internet。
本发明的另一方面涉及一种高电压设备，例如，X射线设备。
根据本发明的实施例，所述高电压设备包括用于将输入电压整流为DC电压的输入整流器；如上文和下文所述的用于将DC电压转换为AC输出电压的电逆变器；以及用于接收所述逆变器的输出电压的电感型负载。具体而言，电感型负载可以保持逆变器的输出处的电流，并且可以支持逆变器的半导体开关的零电压开关。
应当理解，在上文和下文中描述的方法的特征可以是在上文和下文中描述的设备的特征。
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见并参考从下文描述的实施例进行阐述。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的X射线设备。
图2示出了逆变器的电路图。
图3示出了根据本发明的实施例的逆变器的电路图。
图4示出了根据本发明的实施例的半桥和逆变器的输出的电压－时间图。
原则上，在附图中为等同的部分提供相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了具有电力供应系统12的X射线设备10，所述电力供应系统包括输入整流器14、DC链路16和5级逆变器18。
整流器14可以是具有三个半桥的(无源)B6整流器并且可以被连接至电网20，例如，所述电网是三相电网。根据具体国家的一般电网电压，所述电网可以具有处于360V到480V之间的电压。整流器14对来自电网20的AC电压整流，并将所生成的DC电压提供给DC链路16。
DC链路16使整流器14和逆变器18互连，DC链路16具有用于存储电能的电容器22。
逆变器18是有源元件，其受控制器24的控制。具体而言，逆变器18具有有源功率半导体开关，其通过如下的方式由控制器24接通和断开：使得由DC电压生成5级AC输出电压。将所述5级AC输出电压提供给谐振电路26。相对于具有DC-DC转换器和H桥逆变器的(常规)能量供应系统而言，采用5级逆变器18替代了所述DC-DC转换器和H桥逆变器的组合。5级逆变器18可以在400到750V的未经控制的DC链路电压范围内生成处于相同频率范围内的相同输出功率。为了降低切换功率损耗，控制器24可以适于以零电压开关模式对逆变器进行操作。
X射线设备10还包括谐振电路26或谐振回路26、输出整流器28以及在输出整流器28的输出处与电容器32并联的负载30。一般而言，元件28可以是或者可以包括整流器和高电压级联的组合，例如，所述高电压级联可以是各种倍压器。
负载30可以包括X射线管。
谐振电路26包括与和输出整流器28并联的电容器CP串联的电感器Lres和电容器Cres，可以将谐振电路26看作是LCC谐振回路26。谐振电路26可以适于滤除逆变器18的AC输出电压的高次谐波，因而可以使逆变器28的AC输出电压平滑。此外，谐振回路电路26可以是针对未经控制的DC链路电压的最低值设计的，并且可以采用600V的半导体器件。
整流器28可以是具有两个半桥的(无源)B2整流器。
根据本发明的实施例，电能供应系统12包括用于将AC输出电压整流为提供给负载30的DC输出电压的输出整流器28。
根据本发明的实施例，高电压设备10，例如，X射线设备10可以包括：用于将输入电压整流为DC电压的输入整流器14；用于将DC电压转换为5级输出电压的电逆变器18；以及用于接收逆变器18的输出电压的电感型负载，例如，X射线管30和/或谐振滤波器26。
根据本发明的实施例，高电压设备10还包括适于对逆变器18加以控制以及对半导体开关58a、58b、58c、58d进行开关的控制器24。
图2示出了5级逆变器18的电路图。
在输入侧40，逆变器18被连接至相对于中性点48提供正DC链路电压+VDC和负DC链路电压-VDC的两个输入端子44、46。在输出侧42，逆变器提供处于两个输出端子50、52之间的AC输出电压Vinv。
逆变器18包括两个半桥54、56，所述两个半桥中的每者适于在相应的输出端子50、52处生成三个电压电平(-VDC、0、+VDC)。半桥54、56与两个输入端子44、46并联。两个半桥54、56一起适于生成五个电压电平(-2VDC、-VDC、0、+VDC、+2VDC)，并且因此逆变器18适于生成这五个电压电平。
半桥54、56具有等同设计，因而下面相对于半桥54所做的描述同样适用于半桥56。
半桥54包括串联于两个端子44、46之间的四个半导体开关58a、58b、58c、58d以及连接至中性点48的钳位二极管60a、60b，并且钳位二极管60a、60b分别处于高侧的两个半导体开关58a、58b之间和低侧的两个半导体开关58c、58d之间。输出端子50连接至半桥54的中央，即，连接于半导体开关58b和58c之间。半桥54、56，因而逆变器18是中性点钳定的。
为了连接输出端子50与正输入端子44，可接通高侧的两个半导体开关58a、58b，并且可以断开低侧的两个半导体开关58c、58d。可以通过(++--)对此进行指示。在这种情况下，半桥54可以在端子50处提供电压+VDC。
为了连接输出端子50与负输入端子46，可以使高侧的两个半导体开关58a、58b断开，并且可以使低侧的两个半导体开关58c、58d接通。可以通过(--++)对此进行指示。在这种情况下，半桥54可以在端子50处提供电压-VDC。
为了连接输出端子50与中性点48，可以使外面的两个半导体开关58、58d断开，使里面的两个半导体开关58b、58c接通。可以通过(-++-)对此进行指示。在这种情况下，半桥54可以在端子50处提供电压0。
另一半桥56可以按照相同的方式切换。例如，在对半桥54、56进行切换操作从而使得端子50与端子44连接，使端子52与端子46连接时，输出电压Vinv为+2VDC。两个半桥54、56的输出电压加起来是逆变器18的输出电压Vinv。
有可能逆变器18仅具有一个半桥54，而第二输出端子52直接连接至中性点48。在这种情况下，逆变器适于生成输出电压电平VDC、-VDC和0。
根据本发明的实施例，用于将DC电流变换为AC电流的电逆变器18包括至少一个半桥54。半桥54可以包括至少两个串联半导体开关58a、58b、58c、58d，它们使逆变器18的输入端子44、46与输出端子50互连。
根据本发明的实施例，所述逆变器包括相对于逆变器18的两个输入端子44、46并联的至少两个半桥54、56。
根据本发明的实施例，所述电逆变器是5级逆变器18，其适于在两个输出端子50、52之间生成负全电压-2VDC和正全电压+2VDC、负半电压-VDC和正半电压+VDC以及无电压0V作为输出电压Vinv。
缓冲电容器CS与每一半导体开关58a、58b、58c、58d并联，以获得零电压切换。在缓冲电容器CS与半导体开关并联时，跨越所述半导体器件的电压在断开过程中可以更为缓慢地上升，其可以支持对所述半导体器件的零电压切换。零电压切换可以指，在对半导体开关进行开关时，在半导体开关处不提供或者几乎不提供任何电压。具体而言，在将负载26、28、30连接至包括试图保持所提供的电流的电感器的逆变器18时，来自电感器的电流将基本上流入电容器CS，而非所述半导体开关。
但是，在切换操作的配置使得半桥54或56的输出电压开始为零或者将变为零的情况下，可能引起硬切换，即，在没有零点压的情况下对半导体开关进行切换。具体而言，在有源半导体开关接通，而其对应的缓冲电容器CS尚未事先放电时，将发生硬切换。例如，考虑第一半桥54处于切换状态(++--)，第二半桥56处于(--++)的情况，即，逆变器18生成2VDC的输出电压，负载电流沿从端子50到负载的方向流动。在这种情况下，与开关58a、58b并联的两电容器CS均随着跨越相应开关的电压为零而放电。但是，开关58c和58d的缓冲电容器处的电压则分别被充电至VDC。最后，在过渡切换状态之后，第一半桥54被切换至(-++-)，从而使这一半桥54的输出电压降低至中性电压，因而将Vinv降至+VDC。现在，在开关58b和58d的缓冲电容器放电的同时开关58a和58d的缓冲电容器被充电至电压VDC，由此确定了新的状态。为了通过ZVS开关实现这一操作，必须找到允许在接通开关58b和58c之前建立这一状态的过程。这对于图2的电路是不可能的。
接近这种方案的过程开始于断开开关58a。之后，使负载电流的2/3从开关58a流入到其缓冲电容器内，而所述电流的三分之一则流向开关58c和58d的缓冲电容器的串联连接。58b的缓冲电容器不接收充电电流，因为开关58b仍然使其缓冲电容器短路。从这时开始，端子50处的电压下降，直到达到中性端子48的电压电平。之后，二极管60a接管整个负载电流，从而使各个缓冲电容器内的电压静止下来。此时，开关58c和58d的缓冲电容器每者被充电至VDC/2。现在除了在负载电流方向发生变化之前接通开关58c之外别无选择，因而将引起开关58c和58d的缓冲电容器的失配电压硬接通。
但是不使用中性电平在正全电压和负全电压之间对半桥54、56进行ZVS切换，并且因而产生的逆变器输出电压电平+2VDC、-2VDC和0是完全有可能通过熟悉本领域当前技术水平的人员所知的方式来实现的。
图3示出了另一5级逆变器18的电路图，除了电容器CS方面以外其与图2的逆变器18具有等同的设计。
在图3的逆变器18中，缓冲电容器CS与两个半导体开关并联。具体而言，使缓冲电容器62a与高侧半导体开关58a、58b并联，使缓冲电容器62b与低侧半导体开关58c、58d并联。通过这样的方式，缓冲电容器62a、62b直接将输出端子50与相应的输入端子44、46连接。(分别)处于两个半导体开关58a、58b(58c、58d)之间的相应二极管60a、60b的连接端64a、64b不直接连接至缓冲电容器62a、62b。
缓冲电容器62a、62b可以通过其预期的对应电压梯度确定，所述电压梯度可以是4V/ns左右。例如，在断开时刻的电流为1A左右时，缓冲电容器62a、62b可以具有大约4nF的容量。
根据本发明的实施例，缓冲电容器62a、62b与半桥54、56的至少两个半导体开关58a、58b、58c、58d并联。
根据本发明的实施例，将中性端子48连接于半桥54、56的至少两个半导体开关58a、58b、58c、58d之间，具体而言，经由二极管60a、60b连接至连接端64a、64b。
根据本发明的实施例，通往至少两个半导体开关58a、58b、58c、58d之间的中性端子48的连接端64a、64b不直接连接至缓冲电容器62a、62b。
根据本发明的实施例，缓冲电容器62a、62b直接连接至输入终端44、46以及输出端子50、52。
根据本发明的实施例，缓冲电容器62a、62b与两个半导体开关58a、58b、58c、58d并联。
可以将其推广至超过5级的逆变器拓扑结构，例如，7、9……级。在这些情况下，可以将缓冲电容器与三个、四个……半导体开关并联。
根据本发明的实施例，每一半桥54、56使正输入端子44与负输入端子46互连，每一半桥54、56包括至少两个高侧串联半导体开关58a、58b和至少两个低侧串联半导体开关58c、58d，高侧串联半导体开关58a、58b将正端子44与输出端子50、52互连，低侧串联半导体开关58c、58d将负端子46与输出端子50、52互连。
根据本发明的实施例，中性点端子48连接于至少两个高侧半导体开关58a、58b之间以及至少两个低侧半导体开关58c、58d之间。
根据本发明的实施例，高侧缓冲电容器62a与所述的至少两个高侧半导体开关58a、58b并联，低侧缓冲电容器62b与所述的至少两个低侧半导体开关58c、58d并联。
根据本发明的实施例，一个(或者每一)半桥54、56仅具有两个缓冲电容器62a、62b。
根据本发明的实施例，电逆变器18或者半桥54、56的中的至少一个所具有的缓冲电容器62a、62b的数量最多为半导体开关58a、58b、58c、58d的数量的一半。
使一个电容器62a、62b跨越两个高侧开关58a、58b放置或者与之并联，并且使一个电容器62a、62b与两个低侧开关58c、58d并联，可以确保在接通电容器62、62b的对应的两个开关之前使电容器62a、62b放电。此外，可以降低缓冲电容器62a、62b的数量。
图4示出了图3的逆变器18以及相应的两个半桥54、56的输出的电压－时间图。该图的纵轴示出了电压和电流。横轴为时间。
图4示出了第一半桥54在端子50处的输出电压V50和输出电流I50、第二半桥56在端子52处的输出电压V52和输出电流I52以及逆变器18在端子50、52之间的输出电压Vinv和输出电流Iinv。
由于两个半桥54、56的开关时刻70a、72b、73a、74a、74b、76b、78a、78b是独立于彼此的，因而可以同时对两个半桥54、56开关，处于第二半波中间的开关时刻74a、74b或者最后的开关时刻78a、78b就是这种情况。所示出的开关时刻的序列只是可能的开关序列的例子。
容许ZVS的开关时刻是电压变化与半桥54、56的相应电流I50、I52的符号相反的开关时刻。可以通过将电流I50、I52设定为负载电流而定义所述电流的符号，即，在电流I50、I52沿通往负载26、28、30的方向从半桥50、52流出时符号为正。因此，电流I52与电流I50是相反的。
例如，在第一半桥54的开关时刻70a中，电流I50的符号为负，电压变化为从-VDC到+VDC，即，+2VDC。
作为另一个例子，在第二半桥54的开关时刻78b的过程中，电流I52的符号为正，电压变化为从+VDC到-VDC，即-2VDC。
根据本发明的实施例，通过这样一种方式对第一半桥54中的半导体开关58a、58b、58c、58d进行切换操作，即，在第一输出端子50处生成的电压变化相对于从第一输出端子50通过负载26、30向第二输出端子52流动的电流的符号具有相反方向。
根据本发明的实施例，通过这样一种方式对第二半桥中的半导体开关进行切换操作，即，在第二输出端子52处生成的电压变化相对于从第二输出端子52通过负载26、30向第一输出端子50流动的电流的符号具有相反方向。
一般而言，对于第一半桥，在电流I50为正时，可以将电压V50从+VDC切换至0，从0切换至-VDC，从+VDC切换至-VDC，在电流I50为负时，可以将电压V50从-VDC切换至0，从0切换至+VDC，从-VDC切换至+VDC。
例如，当在电流I50为正的情况下将V50从+VDC切换至0时，可以如上文所述按照下述方式切换半导体开关58a、58b、58c、58d：首先从(++--)到(-+--)，之后在连接62a处的电压达到中性电压时切换至(-++-)。在这种情况下，当在(-+--)和(-++-)之间接通开关58c的过程中，电容器62a和62b具有适当的电压电平，并且将遵从ZVS条件。
当在电流I50为负的情况下将V50从0切换至+VDC时，可以按照下述方式切换58a、58b、58c、58d：首先从(-++-)到(-+--)，之后在连接端64a处的电压达到VDC时切换至(++--)。在这种情况下，当在(-+--)和(++--)之间接通开关58b的过程中，电容器62a和62b具有适当的电压电平，并且将遵从ZVS条件。
具有-VDC的切换转换将产生类似的方式，其中电压和电流的符号相反。
可以由一定的切换序列生成从+VDC到-VDC的各个切换瞬间，例如，所述切换序列为从+VDC切换到0，再到-VDC，即采用(++--)到(-+--)到(-++-)到(--+-)到(--++)的序列。在这种情况下，其他序列也是可能的，例如，(++--)到(----)到(--++)，其将在开关58a、58b、58c、58d处生成相同的电流和电压值。
尽管已经在附图和前面的描述中详细例示和描述了本发明，但这样的例示和描述被认为是例示性或示范性的而非限制性的；本发明不限于公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开和所附权利要求，在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，限定词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其他单元可以完成权利要求中列举的几个项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种用于将DC电流转换为AC电流的电逆变器(18)，
所述逆变器(18)包括至少一个半桥(54)；
所述半桥(54)包括至少两个串联的半导体开关(58a，58b；58c，58d)，所述至少两个串联的半导体开关将所述逆变器(18)的输入端子(44，46)与输出端子(50)互连；
其特征在于：
缓冲电容器(62a，62b)与所述半桥(54)的所述至少两个串联的半导体开关(58a，58b；58c，58d)并联。
2.根据权利要求1所述的电逆变器(18)，
其中，中性点端子(48)经由二极管(62a，62b)连接至所述半桥(54)的所述至少两个串联的半导体开关(58a，58b；58c，58d)之间的连接端(64a，64b)；
其中，所述至少两个半导体开关(58a，58b；58c，58d)之间的所述连接端(64a，64b)不直接连接至所述缓冲电容器(62a，62b)。
3.根据权利要求1或2所述的电逆变器(18)，
其中，所述缓冲电容器(62a，62b)直接连接至所述输入端子(44，46)并且直接连接至所述输出端子(50)。
4.根据前述权利要求之一所述的电逆变器(18)，
其中，所述缓冲电容器(62a，62b)与两个半导体开关(58a，58b，58c，58d)并联。
5.根据前述权利要求之一所述的电逆变器(18)，
其中，所述半桥(54)将正输入端子(44)与负输入端子(46)互连，并且所述半桥(54)包括至少两个高侧串联半导体开关(58，58b)和至少两个低侧串联半导体开关(58c，58d)，所述至少两个高侧串联半导体开关将所述正端子(44)与输出端子(50)互连，所述至少两个低侧串联半导体开关将所述负端子(46)与所述输出端子(50)互连，
其中，中性点端子(48)借助于二极管(60a，60b)连接于所述至少两个高侧半导体开关(58a，58b)之间以及所述至少两个低侧半导体开关(58c，58d)之间；
其中，高侧缓冲电容器(62a)与所述至少两个高侧半导体开关(58c，58d)并联；
其中，低侧缓冲电容器(62b)与所述至少两个低侧半导体开关(58c，58d)并联。
6.根据前述权利要求之一所述的电逆变器(18)，
其中，所述半桥(54)仅具有两个缓冲电容器(62a，62b)。
7.根据前述权利要求之一所述的电逆变器(18)，其中，所述电逆变器所具有的缓冲电容器(62a，62b)的数量最多为半导体开关(58a，58b，58c，58d)的数量的一半。
8.根据前述权利要求之一所述的电逆变器(18)，
其中，所述逆变器包括两个半桥(54，56)；
其中，所述电逆变器是5级逆变器(18)，其适于在两个输出端子(50，52)之间生成负全电压(-2VDC)和正全电压(+2VDC)、负半电压(-VDC)和正半电压(+VDC)以及无电压(0V)，作为输出电压(70)。
9.一种用于切换根据权利要求1到8之一所述的电逆变器(18)的方法，所述方法包括如下步骤：
通过如下的方式对所述半桥(54)中的半导体开关(58a，58b，58c，58d)进行切换：使得在所述半桥(54)的所述输出端子(50)处生成的电压变化相对于从所述输出端子(50)流向负载(26，30)的电流的符号具有相反方向。
10.一种用于控制电逆变器的计算机程序，所述计算机程序在由处理器运行时适于执行根据权利要求9所述的方法的步骤。
11.一种存储有根据权利要求11所述的计算机程序的计算机可读介质。
12.一种高电压设备(10)，例如，X射线设备(10)，其包括：
输入整流器(14)，其用于将输入电压整流为DC电压；
根据权利要求1到8之一所述的电逆变器(18)，其用于将DC电压转换为AC输出电压；
电感型负载(26，30)，其用于接收所述逆变器(18)的输出电压。
13.根据权利要求12所述的高电压设备(10)，还包括：
适于执行根据权利要求9所述的方法的控制器(24)。
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