CN111033925A - 具有集成固态断路器的可调速驱动及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有集成在其中的固态断路器(76,78)的功率转换电路(50)。在描述为满足UL489的公用电源和功率转换设备之间具有断开开关的情况下，功率转换电路包括可连接到AC源的输入、连接到输入以将AC功率输入转换为DC功率的整流器电路(56)，以及耦接到整流器电路(56)以从其接收DC功率的DC链路(64)。整流器电路(56)包括多个相脚(62)，每个相脚上均包括上切换单元(76)和下切换单元(78)，其中每个相脚(62)上的上切换单元(76)和下切换单元(78)中的至少一个包括双向切换单元，该双向切换单元选择性地控制电流并且承受两个方向上的电压，以便提供选择性地中断流过整流器电路的电流的断路能力，同时保持初始功率转换功能。

Description

具有集成固态断路器的可调速驱动及其操作方法
背景技术
本发明整体涉及可调速驱动(ASD)电路，并且更具体地讲，涉及具有集成在其中的固态断路器的ASD及其操作方法。
工业中常使用的执行功率转换的一种类型的系统是ASD电路，也称为变频驱动(VFD)电路。ASD是一种工业控制装置，其为驱动系统诸如AC感应电动机提供可变频率、可变电压操作。图1中示出了典型的ASD电路10。ASD或VFD电路10包括设置在驱动输入14和输入整流器端子16之间的电磁干扰(EMI)滤波器12。端子连接到整流器桥18，该整流器桥将驱动输入14处提供的AC输入功率转换为DC功率，其中整流器桥18为包括六个二极管20的布置的“无控制”整流器桥的形式，其中一对二极管20串联布置在三个输入相中的每一个上。ASD电路10还包括接收来自整流器桥18的DC功率的DC链路22；在整个DC链路22上具有一个或多个电容器26、28的DC链路电容器组24；与DC链路22上的整流器桥18的任一侧串联耦接并在其上的两个电感器30(即，DC扼流板)；用于对所述DC链路电容器组24放电的制动斩波器32；用于将所述DC功率转换为AC功率的逆变器34；耦接到所述逆变器34的输出36；以及电阻器38，其与电容器26、28平行布置在整个DC链路22上，以便平衡电容器26、28的电压并在电源断开之后对它们放电。虽然图1中未示出，但已知ASD电路还可包括预充电电路，以在上电期间控制并限制浪涌电流进入DC链路电容器组24中。
关于ASD电路的运行，已认识到关于ASD电路的安全性和功能已阐述了多种测试和标准，并且必须通过此类测试才能将电路判断为符合此类标准。标准UL61800-5-1是美国ASD电路的管理安全标准，用于验证针对驱动的任何已声明的短路额定值，诸如例如100kA。标准UL61800-5-1要求部件故障测试下的ASD电路不会着火或遇到另一种不可接受的故障。即，认识到部件故障测试可导致横跨电容器的短路，该短路将导致ASD电路失效，并且如果当一个电容器具有短路时允许功率继续流向电容器组，则过压条件将存在于非短路的电容器上。在电解电容器中，这种过压状况可使非短路电容器发生火灾并且可能爆炸。
传统上，使用ASD电路10外部(即，其外壳42的外部)的保险丝或断路器40以及专门用于测试的单独开关(例如接触器)41来执行用于确定与UL61800-5-1的一致性的ASD电路的部件故障测试，如图1所示。在测试期间发生短路的情况下，接触器41用于使+/-DC链路短路，以便根据UL61800-5-1中的要求引入故障。然而，已认识到，传统的断路器具有有限的响应时间，并且当驱动内的部件短路发生时，将使能量从源传递到ASD电路。因此，即使在存在断路器的情况下，也可能由于压力过大的部件(诸如整流二极管或电容器故障)而发生对ASD电路的损坏，因为在断路器响应时间期间流向驱动的额外能量可能足以引起此类部件故障。
最近，已开发出用于替代传统断路器的固态断路器，此类固态断路器有利地具有与传统断路器相比更短的响应时间。因此，在用于确定与UL61800-5-1的一致性的ASD电路的部件故障测试中使用固态断路器，与用传统断路器执行的测试相比呈现了改进。然而，应当认识到，使用固态断路器来为ASD电路提供保护仍然不会妨碍最佳的解决方案。即，由于固态断路器仍在ASD电路外部，因此引入更高的布线和安装成本以及更多的实际产业。另外，现有的固态断路器在较高的持续电流水平下可能不提供保护，诸如可能发生在电动机/负载启动期间存在的浪涌电流中，因为断路器中的固态开关总是完全栅极导通，并且可能经历过长的热应力。因此，固态断路器可能不适于保护电动机启动应用中的持续浪涌电流，其可比额定电流高6-7倍。
如上所述，应当认识到，ASD电路外部的现有机电断路器设计在驱动的持续操作期间不能在部件故障期间向ASD电路提供足够和全面的保护。此外，现有的固态断路器在电动机启动器应用期间未能提供足够的保护。此外，应当认识到，ASD电路10自身的架构缺乏向DC电容器组24中的一个或多个DC电容器26、28中的短路提供足够保护的装置，该短路可损坏ASD电路并且对抗其他各种内部和外部故障状况。即，不能控制ASD电路10中的故障电流或过电压状况，因为不能控制整流器桥18的二极管20关闭，使得功率可经由路径在电容器短路时继续穿过整流器桥18至DC电容器组24，如图1所示，沿此路径，短路电流流过ASD电路10，即通过二极管整流器电路18，然后通过电容器组24。在另一个故障情况下，非短路电容器26、28上的过压状况将导致ASD电路10损坏，使得损坏的ASD电路10将不可用，并且用户将不得不对ASD电路进行昂贵的修理或者替换ASD电路。在不使用ASD电路10的停机期间，用户将遭受额外的经济损失。虽然可修改图1的ASD电路架构以将无源二极管整流器电路18替换为其中除了二极管20之外还包括固态开关46的有源整流器电路44，诸如图2的实施方案中所示，但有源整流器电路44仍不能防止故障电流通过二极管20，如其中所示的短路电流路径所示。
因此，根据标准UL61800-5-1的要求，期望提供一种用于在部件故障测试期间保护ASD电路的系统和方法，以防止电路由于其中的故障状况而着火或遇到其他故障。还期望此类系统和方法以在其瞬时和/或稳态操作期间保护ASD电路免受可能损坏ASD电路的故障状况的影响。
发明简要描述
本发明的实施方案涉及具有集成固态断路器的ASD电路及其操作方法。ASD电路和集成固态断路器消除了安装外部断路器的需要，实现了系统灵活性，提供了更大的保护，并降低了总体拥有成本。
根据本发明的一个方面，功率转换电路包括可连接到AC源的输入、连接到输入以将AC功率输入转换为DC功率的整流器电路，以及耦接到整流器电路以从其接收DC功率的DC链路。所述整流器电路包括多个相脚，每个相脚上均包括上切换单元和下切换单元，其中每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的至少一个包括双向切换单元，所述双向切换单元选择性地控制电流并且承受两个方向上的电压，以便提供选择性地中断流过所述整流器电路的电流的断路能力。
根据本发明的另一方面，一种在功率转换电路中提供断路的方法包括：在功率转换电路的输入处接收AC功率，以及经由所述功率转换电路的检测电路和逻辑电路来测量或确定提供给所述功率转换电路或存在于所述功率转换电路中的功率的一个或多个电流和电压参数。该方法还包括经由检测电路或逻辑电路将一个或多个电流和电压参数与一个或多个相应的电流和电压阈值进行比较，并且如果所述一个或多个测量或确定的电流和电压参数超过所述一个或多个相应的电流和电压阈值，则经由所述逻辑电路来识别所述功率转换电路中的故障状况。该方法还包括经由所述逻辑电路来控制集成到所述功率转换电路中的固态断路器，以在识别到所述故障状况时中断流过所述功率转换电路的电流。
根据本发明的又一个方面，ASD电路包括可连接到AC源的输入、具有集成固态断路器的并连接到输入以将AC功率输入转换为DC功率的整流器桥，以及耦接到整流器桥以从其接收DC链路电压的DC链路。具有集成固态断路器的整流器桥包括多个相脚，每个相脚在其上包括上切换单元和下切换单元，其中每个相脚上的上切换单元和下切换单元中的至少一个被配置为控制电流并且承受两个方向上的电压并且允许选择性地中断流过相应切换单元的电流。
根据以下具体实施方式和附图，本发明的各种其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
附图示出了目前预期用于执行本发明的优选的实施方案。
在附图中：
图1是现有技术中已知的ASD电路和外部断路器的示意图，ASD电路和外部断路器被示出为在部件故障测试配置下，其中DC链路短路。
图2是现有技术中已知的另一个ASD电路的示意图，ASD电路被示出为在部件故障测试配置下，其中DC链路短路。
图3是根据本发明的实施方案的具有集成固态断路器的ASD电路的示意图。
图4A和图4B是根据本发明的实施方案的示意图，其基于集成固态断路器的选择性操作示出了分别在正常操作和故障状况(在三个相中的一个中示出)期间通过图3的ASD电路的电流路径。
图5是根据本发明的另一个实施方案的具有集成固态断路器的ASD电路的示意图。
图6A是根据本发明的另一个实施方案的具有集成固态断路器的ASD电路的示意图。
图6B是根据本发明的另一个实施方案的具有集成固态断路器的ASD电路的示意图。
图7是示出根据本发明的实施方案的用于控制图3的ASD电路的技术的流程图。
图8A至图8D是根据本发明的实施方案的可在图3的ASD电路中实现的各种固态开关和/或二极管配置和布置的示意图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及一种用于响应于故障状况来防止功率转换电路中的部件故障和损坏的系统和方法。固态断路器被集成到功率转换电路中以向其提供保护，其中固态断路器在检测到故障状况时中断功率转换电路中的故障电流。因此，集成固态断路器用于限制对功率转换电路中的部件的损坏，诸如在其DC链路上的电容器组中的短缺期间。
尽管下文将本发明的实施方案描述和示出为涉及ASD或VFD电路以及将固态断路器集成到此类电路中，但是应当认识到，本发明的实施方案并不意味着限于此类电路。也就是说，本发明的实施方案可以更广泛地扩展到具有不同构造和实施方式的功率/能量转换电路，包括例如用于驱动非电动机负载的不间断电源(UPS)、DC-AC功率转换器和功率/能量转换电路。因此，以下关于将固态断路器集成到ASD/VFD电路中的讨论不旨在限制本发明的范围。
参见图3，示出了根据本发明的示例性实施方案的具有集成固态断路器的ASD或VFD电路50。ASD电路50包括驱动输入52和输入整流器端子54，其中EMI滤波器51和LCL滤波器53(任选地，取决于电路拓扑)连接在输入52和端子54之间。端子连接到前端AC-DC整流器桥或电路56，该前端AC-DC整流器桥或电路包括设置在对应于三个输入相中的每一个的桥的相脚62上的固态开关58和二极管60的布置。整流器电路56将在驱动输入52处提供的AC输入功率(诸如例如，从公用电网)转换为DC功率，并且还用作固态断路器以中断流经ASD电路50的电流，如将在下文更详细地解释。
ASD电路50另外包括DC链路或总线64，该DC链路或总线从整流器电路56接收DC功率，并且DC链路电容器组66由跨DC链路64的一个或多个电容器68构成，以向DC链路电压提供平滑，然后将该平滑电压提供给逆变器70。虽然电容器组66被示出具有一个电容器68，但电容器组66可包括根据需要以串联或并联布置方式连接的附加电容器。虽然图3中未示出，但应当认识到，可以将电感器包括在与整流器电路56的任一侧串联耦接并在其上的ASD电路50中，以及与电感器中的一者串联耦接的预充电电路，以在上电期间控制和限制浪涌电流进入DC链路电容器组66中(当驱动输入14最初耦接到AC输入功率时)。另外，可在ASD电路50中包括制动斩波器以便以受控方式对DC链路电容器68放电，然后将来自制动斩波器的电压提供至耦接到DC链路64的逆变器70。逆变器70由固态开关装置72和反向并联二极管74的布置构成，它们共同形成PWM逆变器，该PWM逆变器合成具有可变频率和振幅的AC电压波形，以递送至逆变器70的输出75，以便为由此驱动的负载(例如，AC电动机)提供受控的三相功率。
如图3的实施方案所示，整流器电路56由布置在三个输入相52上的六个切换单元76、78构成，即，每个相上串联的一对切换单元—上切换单元76和下切换单元78。开关单元76、78中的每一个由一对单向导通的固态半导体开关58和一对二极管60形成。虽然固态半导体开关58在图3中示为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但可以认识到，可以替代地使用其他固态半导体开关，例如包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或集成门极换向晶闸管(IGCT)，尽管其他固态半导体开关也可能是合适的，因此本发明的实施方案并不意味着限于以上阐述的特定开关类型。此外，开关58(和二极管60)可以由硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或任何合适的宽带隙(WBG)材料制成，示例性实施方案具有由GaN或SiC制成的开关。
如图3所示，相应切换单元76、78中的IGBT 58中的每一者被布置成与相关二极管60成反向并联。每个切换单元76、78中的IGBT 58在共集极(CC)配置(下文简称为“反向阻挡IGBT”)中以反向串联方式进一步布置和彼此连接。二极管60相对于彼此以相反的方向(即，反向串联)布置，以便阻挡流过整流器电路56的不同方向的电流。基于二极管60和反向阻挡IGBT 58的布置，每个切换单元76、78因此提供双向切换单元，该双向切换单元能够控制电流并且承受两个方向上的电压并且允许选择性中断ASD电路50内的电流。关于图3所示的切换单元76、78，应当指出的是，虽然IGBT 58(和二极管60)在其中被示出为在共集极配置中以反向串联方式连接，但IGBT 58和二极管60可在其他配置中相反地连接，同时仍提供所需的电流控制和电压保护。图8A至图8D示出了可用作图3所示的共集极配置的另选方案的另选IGBT和二极管布置/配置。图8A示出了二极管桥配置，其中单个IGBT 58被布置有四个二极管60。图8B示出了在共发射极(CE)配置中以反向串联方式连接的IGBT 58，同时仍然充当反向阻挡IGBT(其中每个二极管60的取向随后被翻转)，这些IGBT能够控制电流并且承受两个方向上的电压并且允许选择性中断ASD电路50内的电流。图8C示出了作为反向阻挡(RB)IGBT的以反向并联方式布置/连接的两个IGBT 58。上述IGBT和二极管布置中的每一个均提供明显的优点和缺点，因此可基于ASD电路的具体实施及其需要/要求来确定每个切换单元76、78的精确构造。图8D示出了另一个反向阻挡(RB)IGBT布置，其中每个IGBT 58和二极管集成在一个管芯中，其中两个此类管芯如图所示被连接以控制电流并且承受两个方向上的电压并且允许选择性中断ASD电路50内的电流。
现在参照图4A和图4B，出于举例例示/说明的目的，示出了基于整流器电路56的功能的沿着ASD电路50的一个相52的电流的选择性允许和中断。首先，如图4A所示，在ASD电路50的正常工作条件下，电流沿着输入52从AC电源提供，并且以不受控制的方式穿过上切换单元76的二极管60。在ASD电路50的正常工作条件下，上切换单元76的IGBT 58处于接通或导通状态，并且因此电流也穿过IGBT 58并到达通过DC链路64连接的DC电容器组66。电流然后再次以不受控制的方式回流通过下切换单元78的二极管60，然后当处于接通或导通状态时，电流接着继续流过下切换单元78的IGBT 58。
接着，如图4B所示，在故障状况诸如+/-DC链路64的短路或其他故障状况下，电流沿着输入52从AC电源提供，并且以不受控制的方式穿过上切换单元76的二极管60。在故障状况下，使上切换单元76的IGBT 58在断开或非导通状态(如图4B中的“X”标记所示)下操作，其中将IGBT 58切换至断开或非导通状态可响应与ASD电路50相关联的多个感测到的故障或参数中的任一个，如将在下文更详细地解释。在将上切换单元76的IGBT 58切换至断开或非导通状态时，电流被IGBT 58阻挡，并且流向DC链路64和电容器组66的电流被终止。根据一个实施方案，并且如图4B所示，还使得下切换单元78的IGBT 58在断开或未导通状态下操作，从而在ASD电路50中提供电流的冗余阻挡。
尽管在图4A和图4B中未示出，但应当理解，其他相52上的切换单元76、78中的IGBT58的控制将以类似的方式执行，以在其中的正常操作和故障状况期间选择性地允许和中断ASD电路50中的其他相上的电流。
除了用作固态断路器并提供对ASD电路的保护之外，还认识到，整流器桥56还提供关于其作为有源前端整流器桥或不受控制的二极管前端整流器桥的操作的灵活性。也就是说，可以认识到，可以选择性地控制整流器桥56的IGBT 58，以便在ASD电路50中提供有源或无源整流。在作为不受控制的二极管前端整流器桥操作中，IGBT 58可在ASD电路50的正常操作期间栅极导通，使得电流以不受控制的方式流过IGBT(和二极管60)。在作为有源前端整流器桥操作时，IGBT 58可以在ASD电路50的正常操作期间选择性地栅极导通和栅极关断，使得电流以受控的方式流过IGBT 58。可以基于ASD电路的具体实施及其需要/要求来确定整流器电路56以有源或无源/不受控制的方式进行的操作(基于IGBT 58的操作)，并且如果作为有源前端整流器来操作，则在电路中将包括适当的相关联的部件(对于有源整流器电路，在ASD电路50中将包括LCL滤波器53(图3))，但在不受控制的前端整流器配置中则不需要。
现在参见图5和图6，根据本发明的其他实施方案示出了附加的ASD电路。如首次在图5中所示，提供了ASD电路80，其包括与图3的AC-DC整流器电路56相比被修改的AC-DC整流器电路82。即，整流器电路82中的多个上切换单元76中的每一个具有与图3中先前所示和所述的切换单元76相同的构造，其中每个上切换单元76包括一对与相关二极管60成反向并联布置的IGBT 58，并且IGBT 58被布置成使得它们在切换单元76中充当反向阻挡IGBT 58，并且二极管60也在相反的方向上布置，以便阻挡不同方向上的电流通过整流器电路。然而，与上切换单元76相比，整流器电路56中的下切换单元84被修改，其中下切换单元84中的每一个仅包括与相关二极管60成反向并联布置的单个IGBT 58(即，没有反向阻挡IGBT和相关联的阻挡二极管)。
关于图5的ASD电路80，应当认识到，与上切换单元76相比，下切换单元84可具有更简单的构造(即，移除反向阻挡IGBT和相关联的阻挡二极管)，因为下切换单元84仅提供ASD电路80中的电流的冗余阻挡。也就是说，每个上切换单元76中的IGBT 58的控制应当足以阻挡电流流过切换单元76并且防止电流继续流向DC链路电容器组66，以便为其提供保护。与图3的ASD电路50相比，ASD电路80可以较低的成本提供，同时仍然为ASD驱动80提供足够的保护。此外，由于装置数量的减少，系统损失随着效率的提高而降低。
如图6A和图6B所示，提供了与图3和图5的ASD电路50、80相比在其中包括附加保护装置的ASD电路90。在图6A和图6B的例示的实施方案中，附加保护装置包括流电隔离断开开关92和缓冲器电路94，但应当认识到，这两个装置中的仅一个可被包括在ASD电路90中。断开开关92位于驱动输入52和输入整流器端子54之间，并且可为电路提供附加保护，其中包括允许电路90满足UL 489标准的断开开关92，从而使得电路能够在例如服务入口、馈线器、分支电路和其他建筑物应用中使用。当ASD电路90中的所有固态半导体装置处于其断开或未导通状态时，断开开关92起作用。缓冲电路94连接到整流器电路82并且用于吸收ASD电路90中的瞬时，以及在ASD电路90中提供电磁干扰滤波。
虽然图6A中示出了ASD电路90的整流器电路82与图5的ASD电路中的AC-DC整流器电路82具有相同的AC-DC整流器电路构造，但是认识到，保护装置可被添加到具有各种整流器电路构造的ASD电路中。在图6A的实施方案中，每个上切换单元76包括一对IGBT 58，该IGBT被布置成与相关联的二极管60成反向并联，并且IGBT 58被布置成使得它们充当切换单元76中的反向阻挡IGBT，并且二极管60也被布置在相反的方向上，以便阻挡不同方向上的电流通过整流器电路82，同时每个下切换单元84仅包括与相关联的二极管60成反向并联布置的单个IGBT 58。然而，上切换单元76和下切换单元84的构造可颠倒，如图6B所示，其中上切换单元76仅具有布置成与相关联的二极管60成反向并联布置的单个IGBT 58的简化构造，并且下切换单元84包括被布置成用作反向阻挡IGBT和二极管的多个IGBT 58和二极管60。另外，整流器电路82的构造可被修改以便与图3的整流器电路56的构造相同。
现在统统参见图3和图5至图7，可以看出，其中所示的ASD电路50、80、90中的每一个还包括控制系统96，该控制系统用于控制整流器电路的IGBT 58的接通/断开切换。如本文所述，控制系统96被定义为包括可操作地彼此通信的检测电路98和逻辑电路100，即，逻辑电路100从检测电路98接收输入信号。检测电路98用于测量或确定ASD电路50、80、90中的电压或电流测量值，而逻辑电路100用于感测ASD电路50、80、90中的短路或其他故障状况，并且在ASD电路的正常操作期间以及在检测到ASD电路中的故障状况时控制整流器电路56、82的IGBT 58的切换。虽然检测电路98和逻辑电路100中的每一个被示出为图3、图5和图6中的单个电路，但应当认识到，电路中的每一个实际上可包括多个独立且不同的控制器或处理器，并且本发明的实施方案并不旨在在这方面受到限制。例如，可提供单独的逻辑电路以用于感测ASD电路50、80、90中的短路或其他故障状况并控制整流器电路56、82的IGBT 58的切换。另外，虽然控制系统96被示出为ASD电路50、80、90的一部分，但应当认识到，控制系统96(即，其检测电路98和逻辑电路100中的一者或两者)可替代地被提供为与ASD电路50、80、90分开，但可操作地连接到其上。
如图所示，检测电路98可包括被配置为测量或确定ASD电路50、80、90中的一个或多个位置处的电压和/或电流的一个或多个电压或电流取样或感测电路或传感器102。因此，虽然被示出为并入检测电路98中，但认识到，取样或感测电路102可分散在整个ASD电路50、80、90中。根据本发明的实施方案，检测电路98可操作以测量ASD电路50、80、90中的以下电压/电流参数中的一个或多个，包括：例如三相输入电流或电压、整流器电路的切换电平处的电流、DC链路电流以及/或者负载输出电流或电压。根据本发明的实施方案，下文将示出检测电路的示例性操作的多个示例，以及与检测电路98绑定的逻辑电路100的操作。
在检测电路98的操作的第一示例中，检测电路98可包括定位在电容器68上的电压取样电路102(即，电压传感器)以测量其间的电压。虽然未示出，但认识到，附加电容器68可被包括在电容器组66中并且其上具有附加电压取样电路102，使得附加电容器上的电压也可被测量。在检测电容器组66中的短路时，逻辑电路100将从电压取样电路102接收的电容器68上的电压与电压阈值或极限，诸如例如过压阈值或欠压阈值进行比较。如果电容器68上的电压越过或超过电压阈值，则逻辑电路100检测电容器组66中的短路电容器。在一些实施方案中，逻辑电路100将电容器68上的电压与过压电压阈值和欠压阈值两者进行比较。过压和欠压阈值可分别根据标称电容器组电压和短路电压设定为大约50-100伏(V)。例如，在电容器组66包括两个电容器68的实施方案中，如果电容器组66上的标称电压为650V，则两个电容器68之间应具有325V。如果第一电容器短路，则整个650V降将横跨第二电容器，并且过压阈值可被设定为约550-600V，而随后横跨第一电容器的电压将降至0V，并且欠压阈值可被设定为约50-100V。在另一个实施方案中，两个电容器68上的电压可由电压取样电路102测量，其中逻辑电路100计算电容器上的电压之间的差值并将该差值与电压阈值进行比较。
在操作中，如果电容器68上的电压越过或超过电压阈值(或者如果多个电容器68上的电压之间的差值大于电压阈值)，则逻辑电路100检测电容器组66中的短路电容器，并且因此识别ASD电路50、80、90中的故障状况。在此类检测/识别之后，逻辑电路100随后经由在ASD电路50、80、90的整流器电路56、82中选择性地切换IGBT 58来实现断路操作，其中逻辑电路100可操作地连接到整流器电路56、82的IGBT 58以控制其切换。当逻辑电路100检测到短路电容器时，逻辑电路100将门控信号传输至整流器电路56、82中的选择性IGBT 58，诸如如图4B中所示的IGBT 58，以便使得两个IGBT 58断开并且变成非导电的，从而终止流过其中的电流并且防止附加电流流过电容器组66。类似的门控信号将被逻辑电路100传输到其他切换单元76、78中的每一个中的选择性IGBT 58，以控制在整流器电路56、82的其他相脚62上的电流。
在检测电路98的操作的第二示例中，检测电路98用于感测整流器电路的切换电平上的电流，即，整流器电路56、82中的IGBT 58上的电流。在一个实施方案中，检测电路98可包括感测整流器电路56、82中的每个IGBT 58的发射极/源极电压的电压取样或感测电路102。对于每个IGBT 58，检测电路98然后可在执行温度补偿步骤之后，基于电压来计算IGBT58上的传导电流。在另一个实施方案中，检测电路98可包括直接感测整流器电路56、82中的每个IGBT 58上的传导电流的电流取样或感测电路102。在任一实施方案中，计算/测量的电流值然后可由逻辑电路100与预先确定的电流阈值进行比较，并且逻辑电路100将在电流值高于阈值时检测ASD电路50、80、90中的故障状况。在此类检测/识别之后，逻辑电路100随后经由在整流器电路56、82中选择性地切换IGBT 58来实施断路操作，其中逻辑电路100将门控信号传输至整流器电路56、82中的选择性IGBT 58，诸如图4B中所示的IGBT 58，以便使得两个IGBT 58断开并且变成非导电的，从而中断流过其中的电流并终止流过整流器电路56、82的电流。类似的门控信号将被逻辑电路100传输到其他切换单元76、78中的每一个中的选择性IGBT 58，以控制在整流器电路56、82的其他相脚62上的电流。
在检测电路98的操作的另一个示例中，检测电路98用于感测到ASD电路50、80、90的三个输入相52中的每一个上的电流和/或电压。因此，检测电路98可包括感测每个相52上的电流和/或电压的电流/电压取样或感测电路102。然后可通过逻辑电路100将由检测电路98测量的三-相电流/电压与一个或多个相应的电流/电压阈值进行比较，以检测是否存在故障。在一个实施方案中，将三相电流与ASD电路50、80、90的输入电流等级进行比较，以确定任何相电流是否超过最大额定电流值。在另一个实施方案中，可将三相电源的电压不平衡与预先确定的不平衡阈值进行比较。在任一实施方案中，如果电流/电压值高于阈值，则逻辑电路100可检测ASD电路50、80、90中的故障状况。在此类检测/识别之后，逻辑电路100随后经由在整流器电路56、82中选择性地切换IGBT 58来实施断路操作，其中逻辑电路100将门控信号传输至整流器电路56、82中的选择性IGBT 58，诸如图4B中所示的IGBT 58，以便使得两个IGBT 58断开并且变成非导电的，从而中断流过其中的电流并终止流过整流器电路56、82的电流。类似的门控信号将被逻辑电路100传输到其他切换单元76、78中的每一个中的选择性IGBT 58，以控制在整流器电路56、82的其他相脚上的电流。
现在参见图7，并且参考图3，示出了用于控制ASD电路50的技术110，其中该技术由如上所述的ASD电路50的检测电路98和逻辑电路100执行。当在ASD电路50的驱动输入52处施加AC输入功率时，过程110在步骤112处开始。在步骤112处提供AC输入功率可作为ASD电路50的正常操作的一部分来执行，或者可作为ASD电路50的部件故障测试的一部分。
在驱动输入50处提供AC输入功率时，在步骤114处经由检测电路98获取一个或多个测量/确定的电压和/或电流值。如前所述，可在ASD电路50中测量或确定的电压/电流参数包括：例如三相输入电流或电压、整流器电路的切换电平处的电流、DC链路电流和/或DC链路电容器电流。在获取这些值时，在步骤116处确定ASD电路50内的一个或多个所测量/确定的电压和/或电流值是否正常并且在可接受范围内—其中此类确定经由检测电路98和/或逻辑电路100进行。步骤116处的确定基于任何测量的电压/电流是否已超过预先确定的极限/阈值，或者基于相应的电压/电流测量值之间的差值是否超过了极限/阈值，如逻辑电路100中所定义的。如果在步骤116处确定电压/电流参数中的任一个是异常的，如在118处所示，则逻辑电路100以一种方式操作以控制整流器电路56中的固态开关58的切换，所述方式使得整流器电路56作为固态断路器工作并且中断在步骤120处通过ASD电路50的电流。即，在步骤120处，逻辑电路100经由在整流器电路56中选择性地切换IGBT 58来实施断路操作，其中逻辑电路100将门控信号传输至整流器电路56中的选择性IGBT 58，诸如图4B所示的IGBT 58，以便使得两个IGBT 58断开并且变成非导电的，从而中断流过ASD电路50的电流。类似的门控信号将被逻辑电路100传输到其他切换单元76、78中的每一个中的选择性IGBT 58，以控制在整流器电路56的其他相脚62上的电流。作为由IGBT 58的切换提供的保护的一个示例，电流的中断防止附加电流通过DC链路电容器68，从而消除电容器68由于穿过其的不受控制的过压而发生爆炸或起火的风险。
仍参见图7，如果检测电路98相反在步骤116处确定所有测得的电压/电流参数是正常的，如在122处所示，则认为ASD电路50在正常状态/状况下工作(并且输入电压/电流是可接受的)，并且ASD电路50可因此被安全操作。因此，技术110返回至步骤114并继续监测前述电压/电流参数以识别任何未来故障。
有利的是，本发明的实施方案因此提供了功率转换电路，诸如ASD电路，其具有内置的断路器能力和功能性，以防止可能存在于功率转换电路中的短路和其他故障状况。因此，将固态断路器结合到功率转换电路中提供了有效的解决方案，以限制功率转换电路对电容器短路或其他故障状况的损坏，其中保护电路允许功率转换电路满足UL61800-5-1部件故障测试的要求。
ASD电路和集成固态断路器消除了安装外部断路器的需要，实现了系统灵活性，提供了更大的保护(经由改进的响应/切换时间—例如，使用传统的外部断路器以微秒对毫秒的顺序)，并降低了总体拥有成本。集成固态断路器还在功率转换电路的稳态操作期间和功率转换电路的瞬时操作期间提供保护。此外，前端整流器电路及其集成固态断路器的结构使得前端整流器桥可选择性地操作为有源前端整流器桥或不受控的二极管前端整流器桥。
因此，根据本发明的一个实施方案，功率转换电路包括可连接到AC源的输入、连接到输入以将AC功率输入转换为DC功率的整流器电路，以及耦接到整流器电路以从其接收DC功率的DC链路。所述整流器电路包括多个相脚，每个相脚上均包括上切换单元和下切换单元，其中每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的至少一个包括双向切换单元，所述双向切换单元选择性地控制电流并且承受两个方向上的电压，以便提供选择性地中断流过所述整流器电路的电流的断路能力。
根据本发明的另一个实施方案，一种在功率转换电路中提供断路的方法包括：在功率转换电路的输入处接收AC功率，以及经由功率转换电路的检测电路和逻辑电路来测量或确定提供给功率转换电路或存在于功率转换电路中的功率的一个或多个电流和电压参数。该方法还包括经由检测电路或逻辑电路将一个或多个电流和电压参数与一个或多个相应的电流和电压阈值进行比较，并且如果所述一个或多个测量或确定的电流和电压参数超过所述一个或多个相应的电流和电压阈值，则经由所述逻辑电路来识别所述功率转换电路中的故障状况。该方法还包括经由所述逻辑电路来控制集成到所述功率转换电路中的固态断路器，以在识别到所述故障状况时中断流过所述功率转换电路的电流。
根据本发明的又一个实施方案，ASD电路包括可连接到AC源的输入、具有集成固态断路器的并连接到输入以将AC功率输入转换为DC功率的整流器桥，以及耦接到整流器桥以从其接收DC链路电压的DC链路。具有集成固态断路器的整流器桥包括多个相脚，每个相脚在其上包括上切换单元和下切换单元，其中每个相脚上的上切换单元和下切换单元中的至少一个被配置为控制电流并且承受两个方向上的电压并且允许选择性地中断流过相应切换单元的电流。
已根据优选的实施方案描述了本发明，并且认识到，除了明确指出的那些以外，等同形式、替代形式和修改形式也是可能的并且在附加权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种功率转换电路，包括：
输入，所述输入能够连接到AC源；
整流器电路，所述整流器电路连接到所述输入以将AC功率输入转换为DC功率；
DC链路，所述DC链路耦接到所述整流器电路以从所述整流器电路接收所述DC功率；并且
其中所述整流器电路包括多个相脚，每个相脚上均包括上切换单元和下切换单元，其中每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的至少一个包括双向切换单元，所述双向切换单元选择性地控制电流并且承受两个方向上的电压，以便提供选择性地中断流过所述整流器电路的电流的断路能力。
2.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的所述至少一个包括：
第一固态开关，所述第一固态开关能够在导通状态和非导通状态下操作；
第一二极管，所述第一二极管与所述第一固态开关反向并联；
第二固态开关，所述第二固态开关能够在导通状态和非导通状态下操作，所述第二固态开关相对于所述第一固态开关布置，以便包括反向阻挡固态开关；和
第二二极管，所述第二二极管与所述第二固态开关反向并联并且在与所述第一二极管相反的方向上提供电流阻挡；
其中所述上切换单元和所述下切换单元能够选择性地操作以中断流过所述整流器电路的电流，以便在所述功率转换电路中提供断路能力。
3.根据权利要求2所述的功率转换电路，其中包括以下情形之一：
所述整流器电路中的所述上切换单元中的每一个和所述下切换单元中的每一个包括所述第一固态开关、所述第一二极管、所述第二固态开关和所述第二二极管；或
每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的一者包括所述第一固态开关、所述第一二极管、所述第二固态开关和所述第二二极管，并且其中每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的另一者包括布置成反向并联的固态开关和二极管。
4.根据权利要求2所述的功率转换电路，还包括控制系统，所述控制系统包括：
检测电路，所述检测电路被配置为测量或确定所述功率转换电路中的一个或多个位置处的电压值和电流值中的至少一者；和
逻辑电路，所述逻辑电路可操作地连接到所述检测电路并且被配置为：
从所述检测电路接收输入信号，所述输入信号包括由所述检测电路测量或确定的所述电压值和所述电流值中的所述至少一者；以及
基于所述输入来控制所述第一固态开关和所述第二固态开关在所述导通状态和所述非导通状态之间的切换，以便中断流过所述整流器电路的电流。
5.根据权利要求4所述的功率转换电路，其中在所述第一固态开关和所述第二固态开关的控制切换中，所述逻辑电路被配置为：
将所述电压值和所述电流值中的所述至少一者与一个或多个电压或电流阈值进行比较；
如果所述电压值和所述电流值中的所述至少一者超过所述一个或多个电压或电流阈值中的相应一个，则识别所述功率转换电路中的故障状况；以及
在识别到所述故障状况时，将所述第一固态开关和所述第二固态开关中的一者切换到所述非导通状态，以便中断通过其中的电流；
其中在每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的至少一者中，所述第一固态开关和所述第二固态开关中的一者切换到所述非导通状态。
6.根据权利要求5所述的功率转换电路，其中所述逻辑电路被配置为在所述功率转换电路的稳态操作期间和所述功率转换电路的瞬时操作期间识别所述功率转换电路中的所述故障状况，其中在识别到所述故障状况时，所述逻辑电路将所述第一固态开关和所述第二固态开关中的一者切换到所述非导通状态，以在所述功率转换电路的稳态操作和瞬时操作两者期间在所述功率转换电路中提供所述断路能力。
7.根据权利要求4所述的功率转换电路，其中所述检测电路被配置为测量或确定三相输入电流、所述整流器电路的所述切换单元处的电流、DC链路电流和三相输出电流或电压中的至少一者。
8.根据权利要求2所述的功率转换电路，其中所述第一固态开关和所述第二固态开关包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或集成门极换流晶闸管(IGCT)中的一者，并且其中所述第一固态开关和所述第二固态开关由碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)构成。
9.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中所述整流器电路能够选择性地操作为有源前端整流器电路或不受控制的前端整流器电路。
10.根据权利要求1所述的功率转换电路，还包括下列中的至少一者：
流电隔离断开开关，所述流电隔离断开开关位于所述输入和所述整流器电路之间；和
缓冲电路，所述缓冲电路连接到所述整流器电路并被配置为吸收所述功率转换电路中的浪涌电流，以便提高固态开关的可靠性并减少电磁干扰。
11.一种在功率转换电路中提供断路的方法，所述方法包括：
在所述功率转换电路的输入处接收AC功率；
经由所述功率转换电路的检测电路和逻辑电路来测量或确定提供给所述功率转换电路或存在于所述功率转换电路中的功率的一个或多个电流和电压参数；
经由所述检测电路或逻辑电路来将所述一个或多个电流和电压参数与一个或多个相应的电流和电压阈值进行比较；
如果所述一个或多个测量或确定的电流和电压参数超过所述一个或多个相应的电流和电压阈值，则经由所述逻辑电路来识别所述功率转换电路中的故障状况；以及
经由所述逻辑电路来控制集成到所述功率转换电路中的固态断路器，以在识别到所述故障状况时中断流过所述功率转换电路的电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中控制所述固态断路器包括控制包括在切换单元中的多个固态开关的切换，所述切换单元定位在所述功率转换电路的整流器桥的多个相脚上；并且
其中所述切换单元包括定位在所述整流器桥的每个相脚上的上切换单元和下切换单元，其中每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的至少一者包括：
一对固态开关，所述对固态开关彼此反向串联连接；和
一对二极管，所述对二极管各自与所述对固态开关中的相应一个反向并联连接，其中所述对二极管还彼此反向串联连接。
13.根据权利要求12所述的方法，其中控制所述多个固态开关的切换包括使彼此反向串联连接的所述对固态开关中的一个变为非导电的，使得流过所述相应切换单元的电流被中断。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个电流和电压参数包括三相输入电流、所述整流器桥的所述切换单元处的电流、DC链路电流和三相负载输出电流或电压中的至少一者。
15.根据权利要求11所述的方法，其中控制所述固态断路器以中断流过所述功率转换电路的电流能够在所述功率转换电路的稳态操作和所述功率转换电路的瞬时操作期间执行。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述功率转换电路作为部件故障测试的一部分来操作。
17.一种可调速驱动(ASD)电路，包括：
输入，所述输入能够连接到AC源；
整流器桥，所述整流器桥具有集成固态断路器并连接到所述输入，以将AC功率输入转换为DC功率；和
DC链路，所述DC链路耦接到所述整流器桥以从所述整流器桥接收DC链路电压；
其中具有集成固态断路器的所述整流器桥包括多个相脚，所述多个相脚各自在其上包括上切换单元和下切换单元；并且
其中每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的至少一者被配置为控制电流并且承受两个方向上的电压并且允许选择性地中断流过所述相应切换单元的电流。
18.根据权利要求17所述的ASD电路，其中每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的所述至少一者包括形成双向切换单元的具有或不具有伴随二极管的一个或多个固态开关的布置，所述双向切换单元控制电流并且承受两个方向上的电压并且允许选择性地中断流过所述相应切换单元的电流。
19.根据权利要求17所述的ASD电路，还包括：
检测电路，所述检测电路被配置为测量或确定所述ASD电路中的一个或多个位置处的电压值和电流值中的至少一者；和
逻辑电路，所述逻辑电路可操作地连接到所述检测电路并且被配置为：
从所述检测电路接收输入信号，所述输入信号包括由所述检测电路测量或确定的所述电压值和所述电流值中的所述至少一者；
将所述电压值和所述电流值中的所述至少一者与一个或多个电压或电流阈值进行比较；
如果所述电压值和所述电流值中的所述至少一者超过所述一个或多个电压或电流阈值中的相应一个，则识别所述ASD电路中的故障状况；以及
在识别到所述故障状况时，使所述一个或多个固态开关中的一个变为非导电的，使得流过所述相应切换单元的电流被中断。
20.根据权利要求18所述的ASD电路，其中所述电流和电压值中的所述至少一个包括三相输入电流、所述整流器桥的所述切换单元处的电流、DC链路电流和三相负载输出电流或电压中的至少一者。
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