CN113544623A - 具有谐振关断的静态转换开关 - Google Patents

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CN113544623A CN201980051938.7A CN201980051938A CN113544623A CN 113544623 A CN113544623 A CN 113544623A CN 201980051938 A CN201980051938 A CN 201980051938A CN 113544623 A CN113544623 A CN 113544623A
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Abstract

提供了一种谐振关断电路，用于将不足的电源断开连接并将负载转移到备用电源。在该电路中，在电源的AC周期过零之前关断主开关。因此主开关可以被迅速关断以将被供应到负载的电功率转移到第二电源。该电路可以包括谐振开关、电容器、预充电的电源供应器以及电感器。当需要关断主开关时，谐振开关被关断以引起跨开关的电压反转。

Description

具有谐振关断的静态转换开关
技术领域
本发明总体涉及静态转换开关，并且更具体地说，涉及关断其中的开关。
背景技术
静态转换开关(STS)是已知类型的电气部件，用于将电力分配到敏感负载。例如，静态转换开关通常用于向需要恒定可靠的电力的数据中心或者其他工业厂房或设施供应电功率。
静态转换开关用于在多个电源之间切换来为负载供应电力。例如，一个电源(诸如电网)可以是主电源，并且第二电源(诸如发电机)可以是备用电源。两个电源都被供应给为负载供电的静态转换开关。在正常状况期间，静态转换开关监测主电源和备用电源，并且从主电源向负载供电。当来自主电源的电力恶化时，静态转换开关切换到备用电源为负载供电。这种切换被设计为足够快以使负载不受电源之间的切换的影响。
为了实现所需的切换速度和可靠性，静态转换开关使用“静态”切换，这意味着固态电力电子器件被用于在电源之间进行切换。然而，即使使用固态电力电子器件，切换速度也是静态转换开关要关注的问题。例如，主电源中的恶化可能突然发生，因此迅速切换远离恶化的主电源是很重要的。即，许多电气部件(例如在数据中心中的电气部件)对电源波动特别敏感。此外，两个电源之间的切换定时必须是无缝的。因此，例如，不期望在将电源断开连接时的延迟，从而通过暂时将多个电源连接到负载而导致功率尖峰，或者通过暂时不将电源连接到负载而允许功率间隙。因此，在静态转换开关中，当在电源之间切换时能够尽可能快地将电源断开连接是重要的。
发明内容
描述了静态转换开关，该静态转换开关在小于半个AC周期时关断电源。这允许静态转换开关在两个电源之间迅速切换，以保持对敏感负载的足够的电力。该电路包括两个主开关和两个谐振开关。接通谐振开关中的至少一个谐振开关以关断主开关。
附图说明
通过结合附图阅读以下描述可以更全面地理解本发明，其中：
图1是静态转换开关的电路图；
图2是谐振关断电路的电路图；
图3是示出了图2的晶闸管中的一个晶闸管被关断的图；
图4是图3的扩展图；
图5是另一谐振关断电路的电路图；
图6是示出了图5的晶闸管中的一个晶闸管被关断的图；
图7是图6的扩展图；
具体实施方式
现在参考附图，并且特别是图1，示出了用于静态转换开关10的电路图。如图所示，静态转换开关10被供应有第一电源12和第二电源14。静态转换开关10的输出被连接到负载16(诸如数据中心)。电源12、14之间的切换通过使用第一主开关22和第二主开关24的对应的集合18、20来实现。优选地，主开关22、24是晶闸管或栅极可关断晶闸管(GTO)。主开关22、24彼此反并联布置，使得当AC功率从电源12、14向开关22、24供应并且主开关22、24接通时，AC功率的正极性半周期由第一主开关22传导，AC功率的负极性半周期由第二主开关24传导。
主开关22、24通过向第一主开关22和第二主开关24的栅极26供应第一栅极26信号而接通以传导电功率。一旦接通，主开关22、24中的每个主开关通常继续传导电功率，即使在第一栅极26信号不再被供应给开关22、24的栅极26之后。为了关断主开关22、24以阻止主开关22、24中的每个主开关传导电功率，跨主开关22、24被施加的电压可以被反转。当电源12、14是AC电源时，适用于关断主开关22、24的电压反转在AC电源的每半个周期发生。例如，如果主开关22、24通过栅极26信号接通(并且栅极26信号立刻被移除)，则正极性第一半周期将通过第一主开关22传导。然后，当AC周期到达过零时，第一主开关22将由于极性反转而关断。负极性第二半周期然后通过第二主开关24传导。一旦AC周期再次达到过零，第二主开关24由于极性反转而关断。
为了防止主开关22、24在AC电源的每个过零处自然关断，在需要来自电源12、14的电功率的时间期间，恒定或恒定脉冲的第一栅极26信号可以被供应给主开关22、24的一个集合18、20的栅极26，电源12、14被连接到开关22、24的集合18、20。因此，当不再需要来自第一电源12的电功率时，从主开关22、24的第一集合18移除第一栅极26信号，并且将第一栅极26信号施加到主开关22、24的第二集合20。因此，第一集合18中的主开关22、24在接下来的两个AC半周期期间自然关断，并且第二集合20中的主开关22、24接通以将电功率从第二电源14传导到负载16。
为了确定何时在电源12、14之间切换，可以提供第一检测器28、30以监测第一电源12和第二电源14的电气性能。因此，当用于第一电源12的第一检测器28感测到第一电源12中的性能恶化时，通过移除第一栅极26信号来关断主开关22、24的第一集合18，并且接通主开关22、24的第二集合20以从第二电源14供电。因为需要一次仅从一个电源12、14向负载16供电，因此可能需要等待接通主开关22、24的第二集合20，直到第一电源12的AC功率过零一次或两次，以确保第一集合18中的两个开关22、24都已关断。因此，切换时间可能需要半个或一个完整的AC周期。应该理解的是，在电源12、14具有多相的情况下，每个电源12、14的每相将由主开关22、24的集合18、20控制。因此，当三相功率与两个电源12、14一起使用时，将使用主开关22、24的总共六个集合18、20。
转到图2，电路图被示出用于在AC极性反转将另外在栅极26信号停止后关断开关22、24之前反转跨主开关22、24中的至少一个主开关的电压。因此，开关22、24可以在不需要等待AC功率到达过零的情况下快速关断。如图所示，该电路提供有至少一个电容器32、34和电感器36。电容器32、34和电感器36与第一主开关22和第二主开关24平行布置。还提供第一谐振开关38和第二谐振开关40，第一谐振开关38和第二谐振开关40与电容器32、34和电感器36串联布置并且与主开关22、24并联布置。
当需要关断主开关22、24时，如上所述从主开关22、24的栅极26移除第一栅极26信号。第二栅极42信号然后也被供应给谐振开关38、40中的至少一个谐振开关的栅极42，以在AC极性改变将自然关断传导主开关22、24之前，跨传导主开关22、24施加反转电压以关断传导主开关22、24。例如，如果AC电源12在需要关断主开关22、24时供应正极性半周期，则第一主开关22将在第一栅极26信号被移除时向负载16传导电功率。因为电压相对于第二主开关24反转，因此第二主开关24将在第一栅极26信号被移除时不导通，并且一旦AC周期再次反转，则第二主开关24将保持关断，因为第一栅极26信号已被移除。因此，不需要额外的步骤来关断第二主开关24。
继续该示例，当第二栅极42信号被供应给第一谐振开关38时，第一电容器32中的电荷被释放，并且谐振频率在第一电容器32与电感器36之间生成。谐振频率远高于AC电源12的频率，并且导致跨第一主开关22的电压反转，以在AC电源12将通过过零而关断第一主开关22本身之前，关断第一主开关22。优选地，提供第二检测器44以监测被供应给主开关22、24的电源12的极性。因此，如果极性为正，则第二栅极42信号将被供应给第一谐振开关38以关断第一主开关22，并且如果极性为负，则第二栅极42信号将被供应给第二谐振开关40以关断第二主开关24。可以组合第一检测器28、30和第二检测器44。
尽管由于主开关22、24的性能需求，在静态转换开关10中优选晶闸管或GTO用于主开关22、24。谐振开关38、40可能不需要满足相同的性能需求，因为谐振开关38、40仅间歇地使用。因此，谐振开关38、40可以是晶闸管、栅极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。谐振开关38、40的额定容量也可能低于主开关22、24。
优选地，电源供应器46、48被连接到电容器32、34以对电容器32、34预充电并在之后提供维护充电。如图2中所示，其中使用两个电容器32、34，其中一个电容器与谐振开关38、40中的每个谐振开关串联，则可能需要有两个电源供电器46、48，其中每个电源被连接到电容器32、34中的一个电容器。因为电容器32、34中的每个电容器用于关断不同的主开关22、24，因此可以向电容器32、34中的每个电容器施加相反的电荷以提供关断主开关22、24中的每个主开关所需的适当的电压反转。也可以将电源供应器46、48与两个DC输出进行组合。
电阻器50也可以与电容器32、34和电感器36并联布置。优选地，电阻器50是金属氧化物变阻器50。在主开关22、24被对应的谐振开关38、40、电容器32、34和电感器36关断之后，电阻器50通过吸收谐振电流来降低电路上的负载。
转到图3和图4，示出了谐振开关38、40关断主开关22、24中的一个主开关的图。图3示出了事件的较长的时间框架，而图4放大了实际的切换事件。如图所示，通过主开关22、24的电流52遵循AC周期。在该示例中，决定在大约AC周期的峰值处关断主开关22、24。因此，在没有谐振开关38、40电路提前关断主开关22、24的情况下，由于AC周期反转大约为两倍长，因此主开关22、24将不会自然关断。如进一步所示，当谐振开关38、40被接通时，谐振电流54被释放，这导致跨主开关22、24的电压58中的突然反转56。如上所述，这使得主开关22、24关断并停止传导电功率。这在图3和图4中可以看出，其中主开关电流52突然下降60至零。当变阻器电流64增加时，谐振电流54在通过变阻器50耗散62之前持续相对较短的时间。在主开关22、24关断后，跨开关22、24出现临时电压尖峰66。此后，跨开关22、24的电压58遵循68电源12的AC周期。
转到图5，也可以在电路中使用单个电容器70，而不是如图2中使用两个电容器32、34。在这种情况下，将使用单个电源供应器72对电容器70充电。可能需要电源供应器72来改变与电源12的极性相对应的电容器70的电荷。
图6和图7是表示图5的谐振开关38、40关断主开关22、24的图。当谐振开关38、40被接通时，主开关电流52和谐振电流54中可能出现初始尖峰74、76。此后，谐振电流54使得跨主开关22、24的电压反转56关断主开关22、24。随着通过变阻器50的电流64增加，谐振电流54通过变阻器50耗散。在主开关22、24被关断之后，跨主开关22、24出现临时电压尖峰66。此后，跨开关22、24的电压5遵循68电源12的AC周期。
尽管已经描述了本发明的优选实施例，但是应该理解的是，本发明不局限于此，并且可以在不背离本发明的情况下进行修改。尽管本文所描述的每个实施例可以仅参考某些特征，并且可以不具体参考关于其他实施例所描述的每个特征，但是应该认识到，本文所描述的特征是可互换的，除非另外描述，即使在没有参考具体特征的情况下也是如此。还应该理解的是，上述优点不一定是本发明的唯一优点，并且不一定期望通过本发明的每个实施例来实现所有所描述的优点。本发明的范围由所附权利要求限定，并且在权利要求的含义范围内的所有设备和方法，无论是字面上的还是等效的，都旨在被包含在其中。

Claims (20)

1.一种静态转换开关，包括：
第一主开关和第二主开关，所述第一主开关和所述第二主开关彼此反并联布置，通过向所述第一主开关和所述第二主开关中的每个主开关供应第一栅极信号，所述第一主开关和所述第二主开关被接通以传导电功率，通过反转跨所述第一主开关和所述第二主开关的电压，所述第一主开关和所述第二主开关被关断以停止传导电功率；
电容器和电感器，与所述第一主开关和所述第二主开关并联布置；
第一谐振开关和第二谐振开关，与所述电容器和所述电感器串联布置；
其中第二栅极信号被供应到所述第一谐振开关和所述第二谐振开关中的至少一个谐振开关，以跨所述第一主开关和所述第二主开关中的一个主开关施加反转电压，以关断所述第一主开关和所述第二主开关中的所述一个主开关。
2.根据权利要求1所述的静态转换开关，其中所述第一主开关和所述第二主开关是晶闸管或GTO。
3.根据权利要求2所述的静态转换开关，其中所述第一主开关和所述第二主开关是晶闸管。
4.根据权利要求1所述的静态转换开关，其中所述第一谐振开关和所述第二谐振开关是晶闸管、GTO、IGBT或MOSFET。
5.根据权利要求4所述的静态转换开关，其中所述第一谐振开关和所述第二谐振开关是晶闸管。
6.根据权利要求1所述的静态转换开关，其中所述第一谐振开关和所述第二谐振开关具有的额定容量低于所述第一主开关和所述第二主开关。
7.根据权利要求1所述的静态转换开关，进一步包括与所述电容器和所述电感器并联布置的电阻器。
8.根据权利要求7所述的静态转换开关，其中所述电阻器是金属氧化物变阻器。
9.根据权利要求1所述的静态转换开关，进一步包括两个电容器，所述电容器中的一个电容器与所述第一谐振开关和所述第二谐振开关中的一个谐振开关串联布置，并且所述电容器中的另一电容器与所述第一谐振开关和所述第二谐振开关中的另一谐振开关串联布置，相反电荷被施加到所述两个电容器中的每个电容器。
10.根据权利要求1所述的静态转换开关，进一步包括被连接到所述电容器的电源供应器，所述电源供应器维持所述电容器的电荷。
11.根据权利要求1所述的静态转换开关，进一步包括：
第二检测器，监测被供应到所述第一主开关和所述第二主开关的电功率的极性；
其中所述第一谐振开关被布置为跨所述第一主开关施加所述反转电压，并且所述第二谐振开关被布置为跨所述第二主开关施加所述反转电压；以及
其中响应于所述第二检测器，所述第二栅极信号被供应到所述第一谐振开关或所述第二谐振开关。
12.根据权利要求1所述的静态转换开关，
其中第一电源被连接到所述第一主开关和所述第二主开关的输入，负载被连接到所述第一主开关和所述第二主开关的输出，并且所述第一电源供应AC功率；以及
其中当所述第一主开关和所述第二主开关被接通时，每个AC周期的正极性由所述第一主开关传导，并且每个AC周期的负极性由所述第二主开关传导。
13.根据权利要求12所述的静态转换开关，其中所述第一栅极信号在一段时间内恒定地或恒定脉冲地被供应到所述第一主开关和所述第二主开关中的每个主开关，使得所述AC功率的极性反转不会关断所述第一主开关和所述第二主开关。
14.根据权利要求12所述的静态转换开关，
其中通过停止所述第一栅极信号的供应并且通过所述反转电压，所述第一主开关和所述第二主开关被关断，所述反转电压由所述第一谐振开关和所述第二谐振开关中的一个谐振开关跨所述第一主开关和所述第二主开关中的所述一个主开关进行施加；并且
其中在从所述第一栅极信号停止的时间起的所述AC功率的极性反转之前，所述反转电压被施加以关断所述第一主开关和所述第二主开关中的所述一个主开关。
15.根据权利要求1所述的静态转换开关，进一步包括：
第一电源、第二电源、以及负载；
其中所述第一电源被连接到所述第一主开关和所述第二主开关的第一集合的输入，所述第二电源被连接到所述第一主开关和所述第二主开关的第二集合的输入，并且所述负载被连接到所述第一主开关和所述第二主开关的所述第一集合和所述第二集合的输出。
16.根据权利要求15所述的静态转换开关，进一步包括：
第一检测器，监测所述第一电源的电性能；
其中所述第一集合的所述第一主开关和所述第二主开关被接通，以从所述第一电源向所述负载供应电功率，而所述第二集合的所述第一主开关和所述第二主开关被关断，以防止电功率从所述第二电源供应到所述负载；
其中当所述第一检测器感测到所述第一电源的性能恶化时，所述第一集合的所述第一主开关和所述第二主开关被关断，以防止电功率从所述第一电源供应到所述负载，并且所述第二集合的所述第一主开关和所述第二主开关被接通，以将电功率从所述第二电源供应到所述负载。
17.根据权利要求16所述的静态转换开关，
其中所述第一电源和所述第二电源供应AC功率；
其中当所述第一主开关和所述第二主开关被接通时，每个AC周期的正极性由所述第一主开关传导，并且每个AC周期的负极性由所述第二主开关传导；
其中通过停止所述第一栅极信号的供应并且通过所述反转电压，所述第一主开关和所述第二主开关被关断，所述反转电压由所述第一谐振开关和所述第二谐振开关中的一个谐振开关跨所述第一主开关和所述第二主开关中的所述一个主开关进行施加；以及
其中在从所述第一栅极信号停止的时间起的所述AC功率的极性反转之前，所述反转电压被施加以关断所述第一主开关和所述第二主开关中的所述一个主开关。
18.根据权利要求17所述的静态转换开关，
其中所述第一栅极信号在一段时间内恒定地或恒定脉冲地被供应到所述第一主开关和所述第二主开关中的每个主开关，使得所述AC功率的极性反转不会关断所述第一主开关和所述第二主开关；以及
所述静态转换开关进一步包括被连接到所述电容器的电源供应器，所述电源供应器维持所述电容器的电荷。
19.根据权利要求18所述的静态转换开关，进一步包括：
第二检测器，监测被供应到所述第一主开关和所述第二主开关的电功率的极性；
其中所述第一谐振开关被布置为跨所述第一主开关施加所述反转电压，并且所述第二谐振开关被布置为跨所述第二主开关施加所述反转电压；
其中响应于所述第二检测器，所述第二栅极信号被供应到所述第一谐振开关或所述第二谐振开关；
所述静态转换开关进一步包括与所述电容器和所述电感器并联布置的金属氧化物变阻器；并且
所述静态转换开关进一步包括两个电容器，所述电容器中的一个电容器与所述第一谐振开关和所述第二谐振开关中的一个谐振开关串联布置，并且所述电容器中的另一电容器与所述第一谐振开关和所述第二谐振开关中的另一谐振开关串联布置，相反电荷被施加到所述两个电容器中的每个电容器。
20.根据权利要求19所述的静态转换开关，
其中所述第一主开关和所述第二主开关是晶闸管；
其中所述第一谐振开关和所述第二谐振开关是晶闸管、GTO、IGBT或MOSFET；以及
其中所述第一谐振开关和所述第二谐振开关具有的额定容量低于所述第一主开关和所述第二主开关。
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