CN105229913B - 驱动逆变器的方法及适于降低开关损耗的逆变器 - Google Patents

Abstract

一种控制逆变器切换的方法，其桥适于对来自直流电压源的电压进行斩波以向变压器的初级侧馈送斩波电压；该逆变器包括二极管整流电路，该二极管整流电路接收来自变压器的次级侧的输入电压以获得馈送至斩波器的电压，斩波器向负载馈送电压。所述方法包括：驱动桥的开关以使电源从初级侧断开，初级侧的端子通过桥自身的电子开关及回流二极管中的至少两个彼此连接，从而使得存在于所述变压器的次级侧上的电压为空值的步骤；在次级侧上的电压基本为空值时，实现斩波器的支路的至少一个电子开关的切换以最小化由于斩波器的电子开关的断开/闭合所产生的开关损耗的步骤。

Description

驱动逆变器的方法及适于降低开关损耗的逆变器

技术领域

本发明涉及驱动逆变器的方法以及适于降低开关损耗的逆变器。

背景技术

逆变器是众所周知的，其中桥(例如，H桥)适于对来自直流电压源的电压进行斩波以向变压器的初级侧馈送交流电压；逆变器还包括二极管整流调节器(leveler)电路，该二极管整流-平滑器电路接收来自变压器的次级侧的输入交流电压以获得馈送到斩波器的平滑(leveled)的电压，斩波器依序向负载馈送电压。斩波器通常包括多个并联支路(具有两级、三级或更多级的不同的斩波器结构是可能的)，每条支路包括串联布置并插接在整流器-平滑器电路的正极电源线和负极电源线之间的一对电子半导体开关。斩波器的电子开关的公共端子与负载电源线连通(communicate)；斩波器的每个电子开关还具有并联布置的回流(recirculation)二极管。

斩波器的电子开关的切换由电子单元控制，该电子单元运行特定负载馈送程序(例如，如果这样的负载是电动机，则可以设定和调节电动机的转速及通过电动机自身传递的功率)。

在多数运行条件下，在开关自身的端子出现电压时，公知的电子单元控制斩波器开关的切换；这样的操作-如同从半导体物理学获知的-导致功率消耗，所述功率消耗构成开关损耗的可观部分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制逆变器的方法及最小化这种开关损耗的逆变器。

由于本发明涉及控制逆变器开关的方法，因此上述目的通过本发明实现，在逆变器中，桥适于对来自直流电压源的电压进行斩波以向变压器的初级侧馈送斩波电压；逆变器包括二极管整流电路，该二极管整流电路接收来自变压器次级侧的输入电压以获得馈送到斩波器的电压，斩波器向负载馈送电压；所述桥至少包括第一支路和第二支路，每条支路包括一对串联布置的电子开关；电子开关的公共端子被连接到所述初级侧的端子上；每个电子开关具有并联布置的回流二极管，所述方法的特征在于其包括执行：驱动所述桥的开关，以使电源从所述初级侧断开的步骤，所述初级侧的端子通过所述电子开关和所述回流二极管中的至少两个相互连接，以使存在于所述变压器的次级侧上的电压为空值；当次级侧上的电压基本为空值时，切换所述斩波器的一条支路的至少一个电子开关，以最小化由于所述斩波器的所述电子开关的断开/闭合所产生的开关损耗。

具体地，电容器具有连接到整流器的第一线路的第一端子以及通过二极管连接到整流器的第二线路的第二端子，从而防止第一和第二线路的过电压，其中所述二极管允许在低功率因数条件下利用来自负载M的电流对电容器充电；所述方法包括闭合与该二极管并联布置的开关以使电容器向负载放电、从而恢复所存储的能量的步骤，由此提高电路的效率。

此外，提供缓冲电容器，其第一端连接到整流器的第一线路，第二端连接到整流器的第二线路，该配置允许所述斩波器的全部开关即使出现流向负载的负电流时也能切换到零电压。

附图说明

现在将参考示出本发明优选实施方式的附图公开本发明，其中：

图1示出根据本发明的方法操作的逆变器；以及

图2-9示出由该方法操作的连续步骤。

具体实施方式

图1中，参考数字1表示根据本发明的完整的逆变器1，在其上应用根据本发明的驱动方法。

具体地，逆变器1包括H桥2，H桥2适于对来自直流电压源4(例如，V＝1500V)的电压斩波以向变压器5的初级侧L1馈送斩波电压。逆变器1还包括二极管整流电路6，该二极管整流电路6接收来自变压器5的次级侧L2的输入交流电压，以获得向三相斩波器7馈送的电压，在示例中其向诸如电动机的三相负载M馈送电压。

更具体地，H桥2包括第一支路8和第二支路9，每条支路包括串联布置的一对电子开关8A、8B和9A、9B(例如MOS)。电子开关8A、8B和9A、9B的公共端子连接到初级侧L1的端子，而支路8和9的相对侧连接到直流电压源4的正/负极端子。

每个电子开关8A、8B和9A、9B具有并联布置并以公知方式操作的回流二极管10A、10B和11A、11B。

整流电路6包括第一支路12和第二支路13，每条支路包括串联布置的一对二极管14A、14B和15A、15B。二极管14A、14B和15A、15B的公共端子连接到次级侧L2的端子，而支路12和13的相对侧分别连接到正电源线16和负电源线17。

缓冲电容器50布置在线路16和17之间。

三相斩波器7包括插接在线路16和17之间的第一支路21、第二支路22和第三支路23。

每条支路21、22和23包括串联布置的一对电子开关25A、25B-26A、26B-27A、27B(例如MOS)；向负载M馈送的第一、第二和第三线路31、32和33在开关25A、25B-26A、26B-27A、27B的公共端子处形成支路。

对于每个开关25A、25B-26A、26B-27A、27B，三相斩波器7包括各自并联布置并以公知方式操作的回流二极管35A、35B-36A、36B-37A、37B。

H桥2的开关8A、8B和9A、9B的切换以及开关25A、25B-26A、26B、27A-27B的切换由控制单元40控制，控制单元40根据本发明的方法操作。

大电容的电容器43具有连接到第一线路(示例中的负极线17)的第一端子和通过钳位二极管46连接到第二线路(正极线16)的第二端子，如果负载M的类型是感性的，钳位二极管46允许来自负载M的电流对电容器43充电(这样的情况将在下文中举例说明)。

电子开关47(例如MOS)与二极管46并联布置；闭合这样的开关47使得电容器43向负载M放电以有效恢复之前存储的能量。本发明的方法的操作将借助于附图2-9来示范，附图2-9示出了根据本发明的方法的开关操作的可能顺序。

步骤1(图2)。闭合开关8A和9B(开关8B和9A保持断开)，电源4的电压V被施加到初级侧绕组L1。

在次级侧绕组L2上感应出电压kV(其中k是变压器5的变压比)，电压kV经由二极管14A和15B导通的电路6整流。将线路16和17上存在的电压通过开关25B、26A和27A闭合(其他开关断开)的方式施加到电动机M。闭合/断开的开关显然可以是其他开关，而非示出的那些；这是简化方式。

步骤2(图3)。开关8A保持闭合，而开关9B断开(开关8B和9A保持断开)；为使绕组L1中的电流连续，初级侧L1中的电流闭合在由导通的回流二极管11A和开关8A形成的网内。变压器的次级侧L2上的电压由此归零并且线路16和17之间存在的电压也归零。缓冲电容器50经由线路16和17以及开关25B、26A和27A向负载放电。三相斩波器7的开关的布置与步骤1中的保持一致。

步骤3(图4)。启动闭合开关9A的操作(这样的操作由虚线表示)；开关9A闭合并且电压为零，而回流二极管11A导通。线路16和17的电压由二极管15A和15B取消(annulled)。三相斩波器7的开关的布置与步骤1中的布置保持一致。

步骤4(图5)。H桥2的布置保持不变；根据本发明，当线路16和17之间的电压接近零时，因为在H整流桥上，电源4的直流电压并未施加到变压器5的初级侧，变压器5的初级侧的各端子经由桥2的两个部件(在示例中，开关8A与回流二极管11A或者开关9A)彼此连接，因此控制三相斩波器的至少一条支路的切换(在示例中，先前闭合的开关26A受控断开并且之前断开的开关26B受控闭合；其他切换操作显然也是可以的)。如果线路32中的电流正向流至负载，则二极管36B导通，因此当电压为零时允许启动开关26B。如果在示例中线路32的电流负向流至负载，则当线路16和17上的电压仍然为低时缓冲电容器50使得开关26B的电流为零。因此在任何情况下，当电压为零或几乎为零时发生支路的切换，因此具有非常少的损耗。

步骤5(图6)。一旦步骤4中描述的前面的布图变化，由于漏感并基于绕组L2中的初始电流，线路16上的电压可能增加直到直接极化钳位二极管46。在该情况下，过量的电荷由限制线路16和17之间的电压的电容器43(具有高电容值)吸收。特别的是，在输出正弦波的峰值处，电容器43两端的电压被调节并保持恒定。

在该情况下，如下面将要继续说明的那样，通过闭合开关47和将电容器43布置在线路16和17之间来恢复电容器43存储的过量电荷；从而，在下一个周期中，电容器43的能量将再次返回至负载M，因此得到高能量效率。

步骤6(图7)。断开开关8A并且闭合H桥2的开关8B以使流入初级侧绕组L1的电流的流向反向。

步骤7(图8)。首先，假设先前磁化初级侧L1，电流流入二极管10B和11A。然而，由于因此L1承受与初始电流流向相反的电压，因此通过开关9A和9B，L1退磁并且其间的电流流向与步骤1中的电流流向相反；从而，次级侧L2端子的电压也与步骤1中存在的电压相反。所描述的周期从类似步骤1的步骤重复启动并且根据H桥2的开关的设置对称。在下一个周期重复中，在线路16和17之间的电压等于零时，将操作支路21、22和23的开关中的一个开关的切换，就像初级侧的端子由开关8B和二极管11B(或者开关9B)闭合一样。

因此，上面描述的方法使得整个变换器1的开关损耗显著降低。事实上，与传统技术相比较(所谓硬切换)，斩波器5的切换对于其全部开关无损耗发生，这因为它们切换到ZV(空值电压，null voltage)。相同的方法应用到利用移相技术(公知类型的)驱动的H桥2的切换，实质上允许自身到ZV(空置电压)的切换。

图4中步骤4的描述涉及实质上仅是阻性的负载M。相反，存在感性负载M时，例如具有低于0.866的功率因数，在步骤4中，有时是沿线路31、32和33从负载M向变换器1的功率流；这种现象会在线路16和17上产生感应过电压。从而，步骤4的支路切换会伴随着潜在高于标称电压的电压，因此导致斩波器开关的可能损毁。这种缺陷通过二极管46的出现而解决，在步骤4中，二极管46与大值电容器43一起限制线路16和17间的电压。在下一步骤，利用开关47的闭合，电容器43对负载M放电(图9)。

Claims (6)

1.一种控制逆变器切换的方法，其中，桥适于对来自直流电压源的电压进行斩波以向变压器的初级侧馈送斩波电压；所述逆变器包括二极管整流电路，所述二极管整流电路接收来自所述变压器的次级侧的输入电压以获得馈送至斩波器的电压，所述斩波器向负载馈送电压；

所述桥至少包括第一支路和第二支路，每条支路由彼此串联布置的一对电子开关形成；该对电子开关的公共端子连接到所述初级侧的端子；每个电子开关与回流二极管并联布置，

所述方法的特征在于其包括执行以下步骤：

驱动所述桥的电子开关以使直流电压源从所述初级侧断开连接，以及所述初级侧的端子经由该对电子开关和所述回流二极管中的至少两个彼此连接，使得所述变压器的次级侧上存在的电压为空值；

由于当所述次级侧上的电压基本为空值时，所述电压并未施加到初级侧，因为初级侧具有通过该对电子开关和所述回流二极管中的至少两个来彼此短路连接的端子，因此当所述次级侧上的电压基本为空值时切换斩波器的第一支路或第二支路的至少一个电子开关，其中，在当所述次级侧上的电压基本为空值时的期间进行切换以最小化损耗。

2.根据权利要求1所述的方法，其中电容器具有通过二极管连接到所述二极管整流电路的第一线路的第一端子以及连接到所述二极管整流电路的第二线路的第二端子，从而防止第一线路和第二线路上的过电压，其中所述二极管允许在低功率因数条件下利用负载的电流对电容器充电；所述方法包括闭合与所述二极管并联布置的开关，通过电容器向负载放电以恢复所存储的能量，从而提高电路的效率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，一旦所述斩波器的支路的电子开关已被闭合，就闭合与所述二极管并联布置的电子开关，该操作改变之前的斩波器自身的布图以在所述斩波器的馈线之间布置所述电容器，从而防止由于布图变化产生的感应效应所导致的电压变化。

4.一种逆变器，其桥适于对来自直流电压源的直流电压进行斩波以向变压器的初级侧馈送斩波电压；逆变器包括二极管整流电路，所述二极管整流电路接收来自变压器的次级侧的输入电压以获得馈送到斩波器的电压，斩波器向负载馈送电压；所述桥包括至少第一支路和第二支路，每条支路包括彼此串联布置的一对电子开关；电子开关的公共端子连接到所述初级侧的端子；每个电子开关与回流二极管并联布置，

所述逆变器的特征在于，所述逆变器包括所述桥和所述斩波器的电子控制装置，所述电子控制装置设置以驱动所述桥的电子开关，直流电压源从所述初级侧上断开连接，所述初级侧的端子通过所述电子开关和所述回流二极管中的至少两个彼此连接，从而所述变压器的次级侧上存在的电压为空值；

所述电子控制装置适于由于直流电压源并未施加到具有通过第一/第二支路的该对电子开关和所述回流二极管中的至少两个彼此短路连接的端子的初级侧，所以当所述次级侧上的电压基本为空值时，切换向所述负载馈送电能的所述斩波器的支路的至少一个电子开关，以便最小化由于所述斩波器的所述电子开关的断开/闭合所产生的开关损耗。

5.根据权利要求4所述的逆变器，其中，包括电容器，该电容器具有连接到所述二极管整流电路的第一线路的第一端子和通过二极管连接到所述二极管整流电路的第二线路的第二端子，从而防止第一线路和第二线路上的过电压，所述二极管允许在低功率因数条件下利用负载的电流对电容器充电；所述电子控制装置适于闭合与所述二极管并联布置的电子开关，通过电容器向负载放电而恢复所存储的能量，从而提高电路的效率。

6.根据权利要求4所述的逆变器，其中，包括缓冲电容器，该缓冲电容器具有连接到所述二极管整流电路的第一线路的第一端子和连接到所述二极管整流电路的第二线路的第二端子，这允许斩波器的开关即使出现流向负载的负电流时也能切换到零电压。