CN1120565C - 用于维持谐振逆变器的谐振电路中的振荡的方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振逆变器，包括具有至少一个电感和电容的谐振电路，和所述谐振电路电气相连的开关电路，并包括至少一个功率电子元件，以及用于按照给定的算法和策略控制每个功率电子元件的控制电路，所述控制电路和开关电路电气相连。本发明的独特的特征在于谐振逆变器还包括具有至少一个控制电感(12’，32’)的脉冲发生电路(12’；15；32’，31)，所述控制电感和谐振电路的至少一个电感(12，32)是感应耦合的，借以以感应方式向谐振电路传递能量。

Description

用于维持谐振逆变器的谐振电路中的振荡的方法和电路

本发明涉及一种谐振逆变器，并涉及一种用于维持谐振逆变器的谐振电路中的振荡的方法。

美国专利5111374披露了一种短路型的谐振逆变器。该专利中描述的谐振逆变器包括电压源或和谐振电路相连的直流总线，其依次向相连的开关电路供电或者被相连的开关电路供电，所述开关电路包括多个功率开关，其中每个功率开关具有反并联的二极管。

然而，上述电路的缺点在于，维持电路的谐振部分中的谐振是复杂而不方便的。其中通过使谐振电容器短路引起并维持谐振。首先，功率开关受到应力，当谐振开始时尤其如此，这当然影响逆变器的寿命。其次，关于可达到的最大电压的范围受到限制。第三，使用的短路方法要求进行谐振电路的振荡状态的复杂的电流控制。

发生在这种结构中的另一个问题是需要确定谐振逆变器的开关的导通与截止的时刻，因为在所涉及的振荡过程中根本没有给出给定的门限参考值，例如开关两端的电压为0伏。因而，和谐振电路的谐振同步地控制所述开关是困难而麻烦的。

当谐振逆变器还包括具有至少一个控制电感的脉冲发生电路时，其中所述控制电感以感应方式和谐振电路的至少一个电感耦联，便可以确保能够通过感应耦合从脉冲发生电路向谐振电路馈入能量。结果，谐振电路便可以按照特定要求的振荡方式被启动和控制，使得谐振电路的振荡根据需要被启动或被维持成为简单的事情。

因此本发明提出一种用于维持谐振逆变器中的谐振电路中的振荡的方法，它克服了美国专利5111374中复杂和昂贵的缺点。本发明能够使用简单的方式对谐振电路进行控制，借以消除元件应力、经常的功率下降和随之而引起的电路的再起动。

此外，应当说明，可以以最佳的方式阻尼不希望的瞬变过程，或者完全避免瞬变过程，使得不会发生例如由于短路开始时的突然的电压跃变。

还应当说明，用于控制谐振电路的谐振状态的控制电路可被大大简化，因为在谐振电路中的振荡可以被自调整而到达峰值。

因而，按照本发明，能够避免谐振电路中的振荡完全停止的情况，因为在其最低的振荡状态下，振荡也不会等于0V。

此外，应当说明，谐振电路的非常简单的控制可以提供谐振电路的可预测的均匀的可再现的输出，并且用于开关电路的控制算法因而可以被简化。其理由之一是，在谐振电路的输出中的过零点为检测和控制提供了非常简单的依据。

此外，本发明可以使控制电路和逆变器中的谐振电路本身实现电气隔离。

当脉冲发生电路和谐振电路以感应方式耦合时，还能够保证谐振电路的物理特性可以控制脉冲的产生，例如通过根据在谐振电路中的电感的电压的符号来控制脉冲的产生。

因而，按照本发明，可以达到非常高的效率，因为谐振电路可以得到最佳的应用，使得开关电路中的开关具有最小的振荡损耗，因为开关的导通和截止可以在0V时实现，所以对于每个开关可以获得最小的dV/dt。

因而本发明通过以感应方式向谐振电路馈入能量，可以补偿谐振电路中的欧姆损耗。

按照本发明，还能够进行逆变器电路的谐振电路的“软”启动，使得所需的谐振振荡在一个合适的时间间隔之后被达到，而没有不希望的瞬变或过冲，因为可以通过馈入最小的能量来维持振荡。

此外，应当说明，在原理上，谐振逆变器可以被设置成为双向的。

功率电子元件例如可以由双极晶体管、GTO、IGBT或其类似物构成。

当谐振逆变器的功率电子元件和至少一个二极管反向并联时，可以实现本发明的特别优选的实施例，因为反并联二极管可以使系统具有双向性能。

当电路还包括具有至少一个功率电子元件的开关电路时，所述开关电路和谐振逆变器的谐振电路电气相连使得谐振电路和至少两个开关电路相连，所述谐振电路还包括至少一个DC集电电容，便能实现一种DC-AC变换器，其可以通过DC集电电容以公知的方式使两个AC网络或发电机进行双向连接。

因而，按照本发明，可以实现在两个AC网络之间的具有最小的功率损耗的无瞬变的或者接近无瞬变的动态耦合。

如果需要在每个AC侧之间的双向连接，可以理解，在开关电路中的各个开关必须是双向的。

频率产生电路包括用于检测在控制电感与/或在谐振电路的至少一个电感上的电压的符号的装置，所述频率产生电路包括用于在至少一个控制电感中产生电流脉冲的装置，从而使得在控制电感或电感中的电流和电压完全同相或部分同相，可以以简单方式启动、控制和维持谐振电路中的振荡，因为通过在谐振电路的电感和脉冲发生电路的电感之间的感应耦合，使得谐振电路的固有振荡特性特别是谐振电路的实际的振荡状态决定瞬变过程。

决定因素是，至少在振荡周期的一部分，能量从脉冲发生电路传递给谐振电路。

当脉冲发生电路根据上述一个电感上的电压的相位产生电流时，在脉冲发生电路和谐振电路之间便获得一种组合的前馈和反馈。

此外，应当说明，按照本实施例，极其简单地构成了用于检测控制电感上的电压的符号的装置，因为这可以借助于一个和控制电感的绕组耦联的比较器以简单的方式实现。

还应当说明，本实施例当其被设计成和谐振电路电气绝缘时，本实施例是极其简单和精致的，因为其可以利用只被加上低电压的小功率电子器件来实现。

在某个电路中，按照本发明，最好是在正电压下向控制电感供给一个同相电流，而当控制电感上的电压为负时，不供给其电流，借以确保实际上从控制电感向谐振电感传递全部能量。

当谐振逆变器包括用于检测谐振电路的输出电压等于或近于0的装置时，所述装置和控制电路电气相连，所述控制电路只适用于当检测装置检测到电压等于或近于0时向开关电路发出导通/截止控制信号，可以实现本发明的一个优选实施例，因为开关电路的控制可以通过简单的方式和谐振电路的振荡同步。

还应当说明，可以用非常简单的方式构成检测和控制电路，因为在谐振电路中的振荡状态是容易预测的和均匀的，使得在谐振电路的输出信号中的过零点对于控制电路是一种足够的输入参数，然后控制电路控制各个开关的导通和截止。

应当说明，控制信号不必在每次检测到谐振电路的输出信号过零时发出。

还应当说明，按照本发明，可以通过在控制电感和谐振电感之间的感应耦合检测过零点，这本身就是独特的，因为在谐振电路的高压部分的过零点可以从控制电感的电流检测和有关谐振电路的知识导出。这还简化了整个系统，使得更简单更廉价地设计逆变器，因为所有的检测电路都可以在一次侧上提供，或者更具体地说，可以在谐振电路和频率发生电路之间的感应耦合的低压侧上提供。

当通过和谐振电路的至少一个电感进行感应耦合向谐振电路进行能量传递时，便能实现一种谐振电路的谐振振荡的有利的控制和维持。

当被传递到谐振电路的电感中的能量基本上相应于谐振电路的欧姆损耗时，便可以实现本发明的有关特别优选的实施例，因为本发明能够专门供给为维持谐振电路的振荡实际所需的能量。

事实上在许多结构中供给大于相应于欧姆损耗的能量是必须的和有利的。

下面参照附图详细说明本发明，其中：

图1是按照本发明的DC-AC谐振逆变器的示意图；

图2表示本发明的AC-DC-AC型的谐振逆变器的另一个实施例；

图3表示按照本发明的DC-AC谐振逆变器的更详细的结构；以及

图4表示按照本发明的相应于图3所示的谐振变换器的瞬变过程。

图1表示按照本发明的一个实施例的示意图。

所示的实施例是具有三相输出的DC-AC谐振逆变器。

这种谐振逆变器由直流电压源10构成，直流电压源的一端和地11相连，同时其另一端和谐振电路的输入端相连，所述谐振电路由和电阻13串联的电感12构成，电阻13通过谐振电容器14和地11相连。

因而所示的逆变器中的谐振电路由电感12和与其相连的电容器14构成，而电阻13在电路中形成衰减。

谐振电路的门A和包括6个IGBT 21-26以及相连的反并联二极管21’-26’的开关电路相连。应当指出，在这种结构中，可以使用多种其它类型的功率开关，以任何所需的相数以已知方式构成所示的电路。

开关电路的所有IGBT 21-26都和控制电路(未示出)相连，控制电路按照给定的控制算法使各个IGBT导通与截止。不过，应当理解，开关电路的开关21-26需要当其上没有加上电压时导通与截止，从而避免功率损失和元件应力。

此外，所示的谐振逆变器具有3个输出端16，17和18，它们根据需要和外部电路相连。

最后，电感12通过电感12’以感应方式和脉冲发生电路相连，电感12’由脉冲发生器15供电。

所示的例子例如可以是用于为感应电动机产生控制脉冲的控制装置。

上述电路的功能是，电压源10提供给定的直流电压，通过包括电感12、电阻13和电容14的谐振电路，将直流电压转换为交流电压，所述交流电压具有相应于谐振电路的谐振频率的频率和相应于直流电压的偏移。

接着，开关电路根据控制电路(未示出)的控制把在门A的交流电压转换为在输出16，17和18上的三相脉冲电压。

如上所述，开关电路的开关21-26需要当其上没有电压时进行导通与截止，以便减轻功率损耗和元件应力。应当指出，按照本发明，这种控制尤其简单，因为在门A的交流振荡按照本发明被极好地限定了，  因此，开关时间可以用简单的方式被最佳地确定，而不用复杂而昂贵的测量电路，正如按照本发明可以在开关21-26中没有损耗地进行转换一样，因为，在理想情况下，交流电压可以是精确限定的时间周期的0V电压，所述的时间周期由谐振电路的固有频率确定。

还应当注意，按照本发明，可以获得在脉冲发生电路和谐振电路之间的电隔离，因此，在元件选择、元件所受应力、元件寿命和元件定额方面是十分有利的。

图2是按照本发明的另一个实施例。

所示的实施例是一种三相交流-三相交流变换器，或者更具体地说是一种并联谐振直流连接变换器。

本发明的逆变器包括3级100，200和300。

逆变器的第一级100由一组具有相连的反并联二极管的整流开关44，44’；45，45’；46，46’构成，所述二极管例如可以是双极晶体管。它们通过电感47’，48’和49’经连接端子47，48和49与交流电网相连。

逆变器的第二级200包括具有谐振电容34的谐振电路，所述谐振电容和谐振电感32与中间电路电容30的串联支路并联连接。因而，这种谐振电路和逆变器的第一级100并联连接。

谐振电容34和谐振电感32按照已知方式限定谐振电路的谐振频率，即，谐振电路把由第一级提供的电压转换为谐振频率。

中间电路电容30作为第二级200的直流元件，因为其和第一级100与第三级300的反并联二极管一起容纳当所述二极管导通时来自所述二极管的电荷。

逆变器的第三级300由具有相连的反并联二极管的一组开关41，41’；42，42’；43，43’构成，所述二极管例如可以由双极晶体管构成。它们例如通过连接端子36，37和38经电感36’，37’和38’和三相电动机相连。

当电流从第二级200向着第三级300流动时，第二级中的电容30在连接端子36，37和38上提供被第三级的开关调制的电荷。在这种情况下，如上所述，电容30由连接端子47，48和49通过电感47’，48’和49’和反并联二极管以及开关44，44’；45，45’；46，46’按照常规的有源整流电路的方式供电。

当电流从第二级200向着第一级100流动时，第二级中的电容30因而向连接端子47，48和49上提供电荷。在这种情况下，电容30由连接端子36，37和38通过电感36’，37’和38’(例如可以是三相感应电动机)和反并联二极管以及开关41，41’；42，42’；43和43’按照常规的逆变器电路的方式供电。

应当理解，上述的开关中的电流流动实际上借助于被包括在开关电路中的开关以公知的方式进行控制。

因而，由上述可见，所示的并联谐振线路是双向的。

谐振电感32以感应方式和电感32’耦联，电感32’和电流源31一起构成闭合的谐振控制电路200’。因而，应当理解，实际的谐振电路或第二级200是和谐振控制电路200’在电气上隔离的。电流源31可以以简单的方式构成，使得通过从低压电路向较高电压和电流的电路进行感性能量的传递从而可以在第二级产生、控制并维持谐振。

因而第二级200中的谐振电路的振荡由中间电路电容30供能，从而引起并维持谐振电路的交流振荡。

图3更详细地示出了按照本发明的直流-交流谐振变换器的结构。

这种直流-交流变换器的基本构成如图1所示。

这种谐振逆变器包括直流电压源60，其一端和地61相连，另一端和谐振电路的输入端相连，所述谐振电路包括电感62，其和通过谐振电容64接地的电阻63串联连接。

例如，电感62具有150μH的电感值，电容64具有100nF的值。

因而，在所示逆变器中的谐振电路由电感62和与其相连的电容64构成，而电阻63在振荡电路中形成欧姆损耗。

谐振电路的门A和包括6个IGBT 81-86以及相连的反并联二极管81’-86’的开关电路相连。应当指出，在这种结构中，可以使用多种其它类型的功率开关，以任何所需的相数以已知方式构成所示的电路。

开关电路的所有IGBT 81-86都和控制电路(未示出)相连，控制电路按照给定的控制算法使各个IGBT导通与截止。不过，应当理解，开关电路的开关81-86需要当其上没有加上电压时导通与截止，从而避免功率损失和元件应力。

所示的谐振电路还包括三个输出端66，67和68，它们和三相感应电动机相连。

最后，电感62通过电感62’以感应方式和脉冲发生电路相连，电感62’由脉冲发生器101供电。

所示的例子例如可以是用于为感应电动机产生控制脉冲的控制装置。

向电感62’供电的脉冲发生电路的构成如下。

电感62’用于向谐振电路的电感62提供感性能量，其和代表62和62’之间的相互耦合的分布电感的电感102串联连接。

此外，电感102和62’的端子分别和比较器109的输入电阻105和108相连。

比较器的输入端分别通过电容103和电阻104以及电容106和电阻107接地。

比较器109可以是LM311型的，电容器103和106的值可以是1nF，电阻104和107的值可以是1kΩ，而输入电阻105和108的值可以是50kΩ。

根据输入电压的符号，比较器的输出可以是0V或者5V。在电感102和62’两端的电压为正时，比较器的输出为5V，在电感102和62’两端的电压为负时，比较器的输出为0V。

然后，比较器109的输出被输入到NAND门110，NAND门110的输出和另一个NAND门111电气相连，并通过数字信号变压器121和开关112的控制输入112’相连。

来自NAND门111的输出通过数字信号变压器120和另一个开关113的控制输入113’电气相连。

NAND电路例如可以是Texas 74 132型的。

数字信号变压器例如可以是TLP250型的(东芝)，在本发明的应用中并具有把输入信号的电压转换为较高电压例如15V的功能。

开关113的输入被部分地连接到电流源101的一端，并通过补偿电阻114被部分地连接到比较器的输入电阻108。

补偿电阻114的功能是补偿变压器中的寄生电容。

开关113的输出被部分地连接到电流发生器101的另一端，并被部分地连接到开关112的输出端。

开关112的输入端还和比较器109的输入电阻105以及分布电感102电气相连。

上述电路根据由比较器109和电感62’以及102进行的符号检测提供电感62’中的电流。

所示的电路被这样设置，使得在电感62’两端的负电压(由逆变器的谐振电路中的电感62感应的)使被输入到电感62’中的电流等于0或接近于0，并且因而在电感62’和62之间不传递能量。

电感62’两端的正电压(同样是由逆变器中的谐振电路的电感62感应的)使正的电流脉冲被输入到电感62’，并因此使能量从电感62’向电感62传递。当负的电压再次在电感62’两端出现时，该电流脉冲被中断。

因而可以看出，根据谐振电路的振荡，按照本发明的脉冲发生电路的合适的结构具有这样的效果，即，使能量(感性能量)主要从脉冲发生电路被传递到谐振电路，即从62’传递到62。

实际上，可以从低功率的脉冲产生电路对谐振电路的大功率电路提供足够的补偿能量。

这一补偿能量被这样进行传递，从而实现非常高的总效率，被合适设置的电路用于传递刚好足够的能量，因此，没有能量被用于突然激励电路元件而引起元件应力和高的功率消耗。

此外，实际上可以借助于所示的低功率电路起动振荡，而不使用在谐振电路的振荡状态下进行突然干预，因为一个小的振荡可以在一个很短的时间内，例如1ms，得到一个稳定的振荡状态。这在图4中说明了。在频率产生电路中输入一个小的不平衡信号就足够了，此时产生一个初始的振荡状态，对于每个正在进行的固有振荡，其被逐渐地向上激励，因为电流发生器，如上所述，当电感62’上具有电压时，通过电感62’从电流发生器101向谐振电路加上一个小的但是足够的能量，借以使电感62具有正电压。

还应当注意，脉冲发生电路和谐振电路在电气上是隔离的。

图4a和图4b表示按照本发明的图3所示的一个谐振逆变器中发生的瞬变过程。

图4b表示在谐振电路的电容64两端的电压。

在时间t＝0时，因为在脉冲发生电路引入一个小的不平衡电压而激起振荡，而后，能量被逐渐地从脉冲发生电路向振荡馈入。然后，振荡逐渐接近1kV的Vpp值，这在大约1ms之后已经达到了。

最低的电压值将逐渐接近0V。当最低的电压值到达0V时，反并联的二极管81’-86’开始导通，然后将保持平衡状态，在此状态下，刚好能够维持在谐振电路中的谐振，再次从脉冲发生器电路汲取最少的能量。

图4a表示通过开关的电流的相应的瞬变过程，可以看出，电流在大约0.6ms-1.0ms的时间间隔从0A增加到大约13-15A。

开关的控制被按照合适的算法进行，当检测到谐振电容64上的电压为0时，便能保证当这些开关被触发时不会发生电压跃变。

应当着重指出，本发明不限于所示的例子，正如应当理解的那样，本发明可被用于现有的结构或特征中。在本发明的范围内的这种特征的一个例子是，例如，美国专利4864483中所述的有源或无源的箝位电路便可以利用本发明的谐振逆变器实现。

Claims (7)

1.一种谐振逆变器，包括：

-具有至少一个电感和一个电容的谐振电路，

-和谐振电路相连的并包括至少一个功率电子元件的开关电路，

-用于按照给定的算法或策略控制每个功率电子元件的控制电路，所述控制电路和开关电路电气相连，

其特征在于

谐振逆变器还包括具有至少一个控制电感(12’，32’)的脉冲发生电路(12’，15；32’，31)，所述控制电感和谐振电路的至少一个电感(12；32)是感应耦合的。

2.如权利要求1所述的谐振逆变器，其特征在于，逆变器的功率电子开关元件(21-26；41-46；81-86)和至少一个二极管(21’-26’；81’-86’)反向并联。

3.如权利要求1或2所述的谐振逆变器，其特征在于，所述的电路还包括具有至少一个功率电子元件的开关电路，所述开关电路和谐振逆变器的谐振电路电气相连，使得谐振电路和至少两个开关电路相连，所述谐振电路还包括至少一个DC集电电容(30)。

4.如权利要求3所述的谐振逆变器，其特征在于，脉冲发生电路包括用于检测控制电感(12’；32’；62’)与/或谐振电路的至少一个电感(12；32；62)上的电压的符号的装置，所述脉冲发生电路包括用于在至少一个控制电感(12’；32’；62’)中产生电流脉冲的装置，使得在控制电感或者电感中的电流与电压完全地或部分地同相。

5.如权利要求3所述的谐振逆变器，其特征在于，还包括用于检测谐振电路的输出端的电压等于或近于0的装置，所述装置和控制电路电气相连，所述控制电路适用于在检测装置检测到电压等于或近于0时才向开关电路发出导通/截止信号。

6.一种用于维持谐振逆变器的谐振电路中的振荡的方法，其特征在于，通过和谐振电路的至少一个电感进行感应耦合向谐振电路传递能量。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，向谐振电路的电感传递的能量基本上相应于谐振电路的欧姆损耗。

Images