CN1076902C - 桥式电源变流器 - Google Patents

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Abstract

一种桥式电源变流器，其每一相包括插在两个开关器件(Q1，Q2)的连接点和输出端之间的电抗器(L1)；分别连接在输出端和正直流总线之间和在输出端和负直流总线之间的电容(C1，C2)，在半导体开关元件(Q1，Q2)因工作而造成连接点电压突然变化时沿着由它和电抗器(L1)一起产生的谐振所确定的曲线改变输出电压；用于在约四分之一谐振周期后使电流转向以停止谐振的二极管(D3，D4)；以及用于吸收在谐振期间存储在电抗器(L1)中的能量的稳压二极管(ZD1，ZD2)。

Description

桥式电源变流器
发明领域
本发明涉及桥式电源变流器，其中两个半导体开关元件(每个元件有一个并联二极管)的串联连接的一端被连接到直流总线的正端，而另一端被连接到负端。
技术背景
在例如电源逆变器那样的桥式电源变流器中，直流电压总线上的电压被开关元件切换以提供交流输出，这样，电压会急速地改变。为了减小开关损耗、电流纹波和噪声，元件的速度特性已加以改进，电压变化速率也已提高。这引起了以下问题。
(1)对地电压的突然改变产生电磁波，它干扰其它电子设备。
(2)泄漏电流通过寄生电容进到电缆和电动机绕组。
(3)如果电缆很长，就会有分布参数的电路，形成驻波且把电压浪涌加到电动机。
(4)高的电压变化速率使电动机绕组中的电压分布不平衡，会把高电压加到部分绕组，造成绝缘恶化。
作为一种对策，可以向主半导体元件的栅极或基极的驱动信号提供一个梯度以减小开关速度。然而，这种方法增加了开关损耗。
作为另一种措施，在直流总线上提供一个L-C谐振电路以阻断直流电压，使逆变器桥路工作在零电压期间以避免急剧的电压变化(见PCT专利申请PCT/US87/02489)。然而，用这种方法不可能持续地控制输出电压的时间长度。
作为另外一种措施，在逆变器和电动机之间加上一个滤波器。然而，如果使用L-C滤波器，那么用于衰减连续振荡的电阻会造成损耗。另外，必须为不同的电动机确定各自的滤波常数。
图1显示了三相电压变流器主电路。桥电路由六个开关元件Q1-Q6和六个续流二极管D1-D6组成。开关元件Q1-Q6的特性确定了接通/关断的开关速度。输出端的电压以非常短的时间间隔被切换，引起了上述的问题。
发明的公开
本发明总的目的是提供一种桥式电源变流器，它能减小由桥式电源变流器加到所驱动的电动机上的电压在切换时的电压变化率。
根据本发明的第一个目的，所提供的桥式电源变流器包括，在每一相中，两个串联连接的半导体开关元件和两个并联的反向二极管，所述二极管每一个各与一个所述半导体开关元件并联连接，所述两个半导体开关元件连接结构的一端被连接到一直流总线的正端，而另一端被连接到所述直流总线的负端，其特征在于，在每一相中：
一个连接在所述两个半导体开关元件的连接点和输出端之间的电感；
两个分别连接在所述输出端和所述直流总线的正端之间及所述输出端和直流总线的负端之间的电容，当所述半导体开关元件因工作而造成所述连接点的电压突然改变时，该电容器用于沿着由它和所述电感一起产生的谐振现象所确定的曲线改变输出电压；
两个分别连接在所述输出端和所述直流总线的正端之间及所述输出端和直流总线的负端之间的二极管，在所述谐振达到约四分之一周期时改变电流路径从而中止所述谐振的；以及
用于吸收在所述谐振期间存储在所述电感中的能量的两个稳压二极管，例如齐纳二极管，其每一个与所述二极管的每一个及所述电容器的每一个串联。
根据本发明的第一个目的所提供的桥式电源变流器，其中，连接到所述直流总线的所述正端的所述稳压二极管被一第一稳压二极管、一高压优先电路和一反向电流电路所代替，所述第一稳压二极管的阳极与所述直流总线的所述正端连接，所述高压优先电路由每一相中的一二极管构成，该二极管的阴极与所述第一稳压二极管的阴极连接，其阳极与每一相中的电容连接，用于释放存储在所述电感和电容中的共振能量，所述反向电流电路由每一相中的一二极管构成，该二极管的阳极与所述直流总线的所述正端连接，其阴极与所述电容和所述高压优先电路的二极管的阳极的连接点相连接，
其中，连接到所述直流总线的所述负端的所述稳压二极管被一第二稳压二极管、一低压优先电路和一反向电流电路所代替，所述第二稳压二极管阴极与所述直流总线的所述负端连接，所述低压优先电路由每一相中的一二极管构成，该二极管的阳极极与所述第二稳压二极管的阳极极连接，其阴极极与每一相中的电容连接，用于释放存储在所述电感和电容中的共振能量，所述反向电流电路由每一相中的一二极管构成，该二极管的阴极极与所述直流总线的所述负端连接，其阳极与所述电容和所述低压优先电路的二极管阴极的连接点相连接。
根据本发明的第一个目的所提供的桥式电源变流器，其特征在于，所述稳压管由一包括晶体管在内的稳压电路所代替，以便提供反向导通特性。
根据本发明的第一个目的所提供的桥式电源变流器，其中所述稳压二极管由晶体管构成。
根据本发明的第一个目的所提供的桥式电源变流器，其中，所述稳压二极管被电容和一削波电路所代替，该消波电路用于控制跨越在所述电容上的电压以及把所吸收的功率返回给所述直流总线。
根据本发明的第一到第五个目的所提供的任一种桥式电源变流器，其中，它进一步包括连接到交流电源的交流端子，用于进行交流到直流的电源变换。
根据本发明的第一个目的所提供的一种桥式电源变流器，其中，所述电感、所述两个电容、所述两个二极管和所述两个稳压二极管安排为所述电源变流器和一电动机之间或所述电源变流器和一电源之间的单元。
当输出端电压由于桥式电源变流器的切换而突然变化时，电动机的电压由于谐振而沿余弦曲线改变，当电动机电压达到某个电平时，二极管和稳压二极管提供箝位功能以便吸收过大的能量。这就控制了加到电动机上的电压的变化率以及过大的振荡的产生。
如上所述，按照本发明而减小的电压变化率产生以下优点：
(1)有较少的电磁干扰。
(2)有较少的泄漏电流。
(3)有更少的驻波以及没有或几乎没有电压浪涌加到电动机。
电缆可被看作为一个L-C分布电路，这样当逆变器的输出电压急剧变化时。有一个行波进到电动机。电动机阻抗比电缆阻抗大得多，因而在电缆和电动机之间的某一点的阻抗可被看作为开路。因此，在电动机端产生反射波，由行波和反射波的组合而构成了驻波。因而，电动机端电压上升，并可达到逆变器输出电压的两倍。当逆变器电压的变化率dv/dt减小时，以上现象被控制，这样几乎没有任何电压浪涌。
(4)电动机绕组的电压被平衡，使得绝缘寿命更长。
附图概述
图1是三相电压逆变器主电路的线路图；
图2是按照本发明实施例的桥式电源变流器的一个单相的电路图；
图3是显示图2电路的输出电压图；
图4是从图2的电路发展出的三相电路图；
图5是具有共用稳压电路的三相桥式电源变流器的电路图；以及
图6是具有功率再生功率的三相桥式电源变流器的电路图。
优选实施例说明
图2显示了按照本发明的桥式电源变流器的单独的一相。图3显示了电源变流器的输入和输出电压波形。
这种桥式电源变流器包括一个电容C0，两个开关元件Q1和Q2，两个二极管D1和D2，一个线圈L1，两个电容C1和C2，两个二极管D3和D4，以及两个稳压二极管(齐纳二极管)ZD1和ZD2。
假定所有元件和部件都具有理想特性。另外，假定流过负载或电动机的电流在切换前后的短时间间隔内是恒定不变的，以及电流方向以箭头I0表示(为了电路对称性，反方向被省略)。
如图3所示，工作方式可分为6个时间段T1-T6。
在时间段T1，晶体管Q1被关断并且是稳定的，电流从N总线(即总线负端)经二极管D2和线圈L1流到负载。晶体管Q2接通，但电流方向相反，所以二极管D2接通。这种电容C1被充电到电压(Vdc＋VD)其中VD是稳压二极管ZD1和ZD2的电压，而跨越电容C2两端的电压是零。
当晶体管Q2和Q1分别被关断和接通时，时间段T2开始。也就是当晶体管Q2和Q1分别关断和接通时，电容C1放电而电容C2充电。这时，负载电流从二极管D2改变到晶体管Q1，使电流I1和I2如图2所示的那样流动，同时建立起两个谐振电路。一个电路是C1→ZD1→Q1→U1→L1→U2→C1，另一个电路是C0→P→Q1→U1→L1→U2→C2→ZD2→N→C0。这些谐振电流被叠加从而增加了晶体管Q1和线圈L1的电流。因此，跨越电容C1两端的电压沿余弦曲线减小，而跨越电容C2两端的电压沿余弦曲线增加。输出端处的电位U2随着增加的电压而增加。当输出端处的电位U2达到电压(Vdc/2＋VD)时，跨越电容C1两端的电压变为零，这就使时间段T2结束。
由于当跨在电容C1两端的电压为零时线圈L1存储了由谐振产生的过大的能量，在时间段T3内环形电流L1→U2→D3→ZD1→P→Q1→U1继续流动，而其幅度则以VD/L1的速率减小。在这段时间内，U2被箝位到电位(Vdc/2＋VD)。当环绕电流变零时，此时间段结束，且U2的电位等于P的电位。
当晶体管Q1被接通时，时间段T4的状态是稳定的。这时，跨在电容C1和C2两端的电压分别为零和(Vdc＋VD)。
当晶体管Q1和Q2分别被关断和接通时，时间段T5开始。负载电流从晶体管Q1改变到二极管D2，同时建立起两个谐振电路。一个电路是C2→U2→L3→U1→D2(或Q2)→N→ZD2，另一个电路是C0→P→ZD1→C1→U2→L1→U1→D2(或Q2)→N→C0。谐振电流以这样的方向(与输出电流I0方向相反)叠加，以抵消线圈L1的电流。因此，电容C2的电压沿余弦曲线减小，而电容C1的电流沿余弦曲线增加。输出端处的电位U2随着电压的减小而减小。当输出端处的电平U2达到-(Vdc/2＋VD)时，跨在电容C2两端的电压变为零，这就使时间段T5结束。
当电容C2的电压变为零时，线圈L1存储了由谐振引起的过大的能量，从而环形电流在时间段T6内继续在L1→U1→D2(或Q2)→N→ZD2→D4→U2内流动，其幅度以VD/L1的速率减小(L1的电流增加趋向于I0)。在这段时间内，U2被箝位到电位-(Vdc/2＋VD)。当环绕电流变为零时，此时间段结束，并使输出端电位U2等于N的电位。当时间段T6结束时，电位返回到和时间段T1同样的稳定状态。
在图2中，稳压二极管ZD1和ZD2吸收谐振能量。实际上，有可能使用一种电路，这种电路把并联二极管反向连接到并联调压器上，在这种调压器中使用晶体管来保持电压恒定。
图4是从图2的电路发展而成的桥式电源变流器的电路图。其中U-相的电路和图2的电路一样。
两个开关晶体管Q3和Q4，两个二极管D3和D4，一个线圈L2，两个电容C3和C4，两个二极管D9和D10，以及两个稳压二极管ZD3和ZD4构成V-相的电路，而两个开关晶体管Q5和Q6，两个二极管D5和D6，一个线圈L3，两个电容C5和C6，两个二极管D11和D12，以及两个稳压二极管ZD5和ZD6构成W-相的电路。
在图5中，连接到图4的直流总线的正端P的稳压二极管ZD1，ZD3，ZD5借助于由二极管D13，D17和D21组成的高压优先电路和由二极管D14，D18，和D22组成的反向电流电路而被共用稳压二极管ZDP所代替，而连接到直流总线负端N的稳压二极管ZD2，ZD4和ZD6借助于由二极管D15，D19和D23组成的低压优先电路和由二极管D16，D20和D24组成的反向电流电路而被共用稳压二极管ZDN所代替。
实际上，在电流逆变器中ZDP和ZDN就像减震器能量处理器或处理换向能量的电路那样，按如下方式构成：
(1)并联调压器：晶体管被用来保持电压恒定。
(2)电容器和斩波器的组合：电容吸收脉冲，能量则通过斩波器被返回到P/N总线，以便保持电压恒定。
在图6所显示的电路中，在图5中的逆变器型电源变流器的稳压二极管ZD1和ZD2被电容CP和CN，二极管DP和DN，晶体管QP和QN，以及线圈LP和LN等代替，以便通过斩波器把由谐振产生的过大能量返回到直流总线。也就是，由电容CP和CN吸收的能量通过由晶体管QP，二极管DP和线圈LP组成的斩波器和由晶体管QN，二极管DN，和线圈LN组成的斩波器而返回到各自的直流电路。
如上所述，桥式电源变流器能把直流转换为交流以驱动交流负载，以及当把交流端连接到交流电源时能把交流转换为直流并控制电源的电流波形。按照本发明的装置能减小急速电压变化对负载的影响。

Claims (7)

1.一种桥式电源变流器包括，在每一相中，两个串联连接的半导体开关元件和两个并联的反向二极管，所述二极管每一个各与一个所述半导体开关元件并联连接，所述两个半导体开关元件连接结构的一端被连接到一直流总线的正端，而另一端被连接到所述直流总线的负端，其特征在于，在每一相中：
一个连接在所述两个半导体开关元件的连接点和输出端之间的电感；
两个分别连接在所述输出端和所述直流总线的正端之间及所述输出端和直流总线的负端之间的电容，当所述半导体开关元件因工作而造成所述连接点的电压突然改变时，该电容器用于沿着由它和所述电感一起产生的谐振现象所确定的曲线改变输出电压；
两个分别连接在所述输出端和所述直流总线的正端之间及所述输出端和直流总线的负端之间的二极管，在所述谐振达到约四分之一周期时改变电流路径从而中止所述谐振的；以及
用于吸收在所述谐振期间存储在所述电感中的能量的两个稳压二极管，其每一个与所述二极管的每一个及所述电容器的每一个串联。
2.按照权利要求1的一种桥式电源变流器，其特征在于，连接到所述直流总线的所述正端的所述稳压二极管被一第一稳压二极管、一高压优先电路和一反向电流电路所代替，所述第一稳压二极管的阳极与所述直流总线的所述正端连接，所述高压优先电路由每一相中的一二极管构成，该二极管的阴极与所述第一稳压二极管的阴极连接，其阳极与每一相中的电容连接，用于释放存储在所述电感和电容中的共振能量，所述反向电流电路由每一相中的一二极管构成，该二极管的阳极与所述直流总线的所述正端连接，其阴极与所述电容和所述高压优先电路的二极管的阳极的连接点相连接，
其特征还在于，连接到所述直流总线的所述负端的所述稳压二极管被一第二稳压二极管、一低压优先电路和一反向电流电路所代替，所述第二稳压二极管阴极与所述直流总线的所述负端连接，所述低压优先电路由每一相中的一二极管构成，该二极管的阳极极与所述第二稳压二极管的阳极极连接，其阴极极与每一相中的电容连接，用于释放存储在所述电感和电容中的共振能量，所述反向电流电路由每一相中的一二极管构成，该二极管的阴极极与所述直流总线的所述负端连接，其阳极与所述电容和所述低压优先电路的二极管阴极的连接点相连接。
3.按照权利要求1的一种桥式电源变流器，其特征在于，所述稳压管由一包括晶体管在内的稳压电路所代替，以便提供反向导通特性。
4.按照权利要求1的一种桥式电源变流器，其特征在于，其中所述稳压二极管由晶体管构成。
5.按照权利要求1的一种桥式电源变流器，其特征在于，所述稳压二极管被电容和一削波电路所代替，该消波电路用于控制跨越在所述电容上的电压以及把所吸收的功率返回给所述直流总线。
6.按照权利要求1到5的任一项的一种桥式电源变流器，其特征在于，它进一步包括连接到交流电源的交流端子，用于进行交流到直流的电源变换。
7.按照权利要求1的一种桥式电源变流器，其特征在于，所述电感、所述两个电容、所述两个二极管和所述两个稳压二极管安排为所述电源变流器和一电动机之间或所述电源变流器和一电源之间的单元。
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