CN1143279A - 换流器电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一个换流 器电路装置，其中，设有与一个半导体开 关并联的、有源可控的限制电流和电压 上升速度的装置。这些限制电流和电压上升速度的装置也可行 使反并联二极管的功能并主要包括一个双极晶体管，该双级晶 体管被一个控制电路控制。

Description

换流器电路装置
本发明涉及大功率电子领域。
这种电路装置已经公开并且譬如在一篇刊登在“电气技术期刊(efz)”第114卷(1993年)第21期，第1310～1319页上的、标题为“换流器技术中的新式大功率半导体”的文章中被描述。
这种电路装置的共同点是，它们由一个直流电压中间电路或一个直流电流中间电路馈电并包括至少一个由一个串联电路构成的分路，该串联电路由其数量为偶数的半导体开关构成。半导体开关串联电路的中央节点形成一个负载接口，一个负载，如一个电机接在该负载接口上。
半导体开关是这样被通断的，即在负载上有一个具有譬如可调的频率的交流电压被输出。必须通过一个无源的dv/dt电路和dI/dt电路面对过陡的电压前沿和电流前沿对半导体开关进行保护。在现有技术中，该保护电路包括一个由无源元件，如电容、电感和电阻构成的线路。这种线路是昂贵的并且占用面积很大。
因此，发明的目的在于提供一种换流器电路装置，该电路装置由尽可能的线路元器件构成并因此占用面积较少并且造价低廉。
在本说明书开头所述类型的电路中，解决以上任务的技术方案在于以下特征。
具有至少一个与一个中间电路相接的分路的换流器电路装置，其中，这个或每个分路包括至少两个半导体开关，特别是选通切断开关，还具有至少一个负载接口，该负载接口是通过这个或每个分路的串联半导体开关的中间节点形成的，其特征在于，设有与半导体开关并联的、可有源可控的限制电流和电压上升速度的装置。
本发明的核心在于，设计了与半导体开关并联的有源可控的限制电流和电压上升速度的装置。这些装置优先包括一个双极晶体管，该双极晶体管设在与半导体开关并联的共基电路中。据此，该双极晶体管的基极与半导体开关的一个配属于一个阴极的第一主电极相连，集电极与半导体开关的一个配属于一个阳极的第二主电极相连。为了控制双极晶体管，在发射极和基极之间设有一个控制电路。该控制电路如此控制双极晶体管，即一方面，在半导体开关被断路之前不久，双极晶体管被接通一个第一时间间隔，另一方面，在半导体开关被重新接通之前，双极晶体管被接通一个第二时间间隔，该第二时间间隔长于半导体开关的接通过程。
据此，双极晶体管在分路接通时可有效地限制电流增加速度和电压边缘斜率，并在分路被切断时可有效地限制电压边缘的陡度。因为双极晶体管可以有选择地用于这两个限制功能，所以可减少电路的构件用量并从而降低成本和减少占用面积。
下面结合附图，借助实施例详细说明本发明。附图所示为：
图1为一个具有一个电机作负载的三相换流器的电路装置；
图2为一个具有发明、并联限制电流和电压上升速度的装置的一个等效电路的半导体开关；
图3为控制发明的限制电流和电压上升速度的装置的时间曲线；
图4为具有多个并联的半导体开关的电路装置。
图中所用的标号及其意义汇总列于标号一览表中，图中的相同的构件原则上用相同的标号表示。
图1示出了一个三相换流器1的等效电路。该换流器譬如是一个为一个电机M供电的u型变频器的构成部分。这种类型的变频器包括一个由一个电网馈电的整流器(图中未出示)、一个直流电压中间电路(通过中间电路电容Czk表示)和一个接有负载的换流器。换流器包括若干个相或分路2。这些分路2分别由偶数个串联的半导体开关组成。图中示出了每个分路中的一个上部开关S1和一个下部开关S2。须强调的是，本发明不仅限于两个开关，每个分路也可设有两个以上的开关。其中，串联电路的中间的、公共的节点形成一个负载接口6。按照公知的格式，借助一个控制电路5让电路装置的半导体开关S1和S2通断，使负载上产生一个多相的交流电压。这种控制方法是公知的，毋需进一步说明。
由于半导体开关S1和S2在一般情况下不是反向导电的器件，所以一般需设一个与半导体开关并联的反并联二极管，该反并联二极管用于在换向后接收导通电流。半导电开关，特别是选通切断开关(GTO)，只能承受开关边缘的有限的陡度，所以它必须用无源的电路元件，如限制电流上升速度的扼流圈和限制电压上升速度的电容器保护。除反并联二极管外，这种电路还必须包括一定数量的电容、二极管、电感和电阻。这种电路也是公知的并且毋须在这里详加说明。
按照发明，设有与半导体开关S1和S2并联的限制电流和电压上升速度的装置。这些限制装置的结构在于，它们恰好也能行使反并联二极管的功能。据此，可节省一定数量的电路元器件。
限制电流和电压上升速度的装置最好包括一个双极晶体管T1，该双极晶体管接在譬如与半导体开关S1并联的共基极线路中。如图2所示，双极晶体管T1的基极与该半导体开关(GTO)的阴极相连，集电极与该半导体开关(GTO)的阳极相连。此外，还设有一个控制电路3，该控制电路如此控制双级晶体管T1，即，双极晶体管T1在半导体开关S1被断路之前的短时间内被接通第一时间间隔t1。控制电路3的结构在于，如在后面详细说明的那样，可达到对半导体开关S1的阳极和阴极之间的电压VAK的边缘陡度的有效限制(见图3)。
在半导体开关S1被接通时，双极晶体管T1再次被接通，并且被接通的时间间隔为t2，该接通时间间隔长于半导体开关的接通过程。届时，控制电压V2呈直线上升。控制电路3的结构在于，通过对电压V2的边缘陡度的控制，可控制通过半导体开关S1的电流陡度dIA/dt。
为了满足上述功能，控制单元3的结构可如图2所示。电路装置的功能如下：
在半导体开关S1通过用控制极电压VG1表示的控制单元5的相应控制被断路之前不久，通过把一个电压V2加在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)T2上，双极性晶体管T1被接通并从而接收电流。这在VAK的变化中产生一个小的电压突起。其中，T2从电容器CS中得到所需的负电压。电容器CS最好包括一个并联的、低电感的电解电容器。
在时间段t2之后，即在把负的控制极电压VG1加上之后不久，V2重新被控制到零。据此，T2的控制极也回到零，并且T1再次试图截止，即通过T2的电流减少。据此，电压VAK升高并且电流流经CG。该电流ICG＝(dVAK/dt)*CG导至RG中的一个电压降。据此，又产生一个用以控制晶体管T2并从而接通T1的电压。该调节回路可对电压升高的速度dVAK/dt进行调节和限制。其中，限制的程度或者电压边缘的陡度主要取决于“时间常数”CG*(RG‖R2)。
接通半导体开关S1时的过程如下：
在控制极电压VG1的符号被改变之前，用一个直线上升的电压控制T2。这产生了一个经过电阻RS的电流负回授。据此，T2的漏电流增加并因此IA也增加，因为双极晶体管是接在共基电路中并把该电流“加强”了“一”倍。据此，电流IA的陡度dIA/dt可经过电压陡度dV2/dt得到调节。
随着被考察的半导体开关S1的被接通，同一分路中相应的、导电的开关S2被断路。据此，产生了开关S2的“反向恢复”。这表现在电流IA的、一个在图3中用(1)表示的过冲中。该反向恢复一旦结束，开关S2即接收电压并从而使VAK降低。电压V2被保持并且进行与断路时相同的调节过程，使电压边缘的陡度dVAK/dt主要取决于“时间常数”CG*(RG‖R2)。一旦电压VAK回到零。控制极电压VG1的符号即改变，据此，半导体开关S1变得全导通并接收电流。然后，控制电压V2在经过时间段t2后也可被消除。
齐纳二极管Dz用于限制电压并与CG并联。双极晶体管T1可用与半导体开关GTO一样的工艺制造。双极晶体管最好是这样制作的，即其基极与一个譬如圆的大功率半导体压力接触外壳的面对集电极的压力接触板直接压力接触。发射极引线从侧方被引出。在发射极引线上也可设置负反馈电阻RE。据此，可使对各个发射区的电流分配得到有效平衡。这些电阻的规格的选择准则在于，在额定电流时，电压降约为0.3至3V。这首先对每个分路中并联的多个半导体开关S1或者S2是有利的(见图4)。双极晶体管最好是装设在一个低电感的、如EP-A2-0588026描述的壳体内。作为半导体开关GTO最好用一个在上述文件中公开的元件。
此外，本发明的电路装置可使半导体开关S1或者S2直接并联。其中，半导体开关S1和S2被一个共同的控制单元5控制。这种情况也适用于双极晶体管T1的单一设置的控制单元3。在半导体开关S1、S2的阳极前尚可接小的电感L和电阻RA，以便在不同的断路延迟过程中基于同型元件控制使各个半导体开关中的电流基本上保持恒定。
本发明绝不限于在图1中所示的换流器，而且可用在所有的、大功率电子电路装置中，譬如也用在设在直流电压中间电路前的整流器中或用在具有其相数任意的直流中间电路的变频器中。总之，按照发明，可制造仅需少数几个电路元器件的电路装置。

Claims (7)

1.具有至少一个与一个中间电路相接的分路(2)的换流器电路装置(1)，其中，这个或每个分路(2)包括至少两个半导体开关(S1、S2)，特别是选通切断开关(GTO)，还具有至少一个负载接口(6)，该负载接口是通过这个或每个分路(2)的串联半导体开关(S1、S2)的中间节点形成的，其特征在于，设有与半导体开关(S1、S2)并联的、可有源可控的限制电流和电压上升速度的装置(T1、3)。
2.按照权利要求1所述的电路装置，其特征在于，限制电流与电压上升速度的装置(T1、3)包括一个双极晶体管(T1)和一个控制电路(3)，其中，双极晶体管(T1)的基极与半导体开关(S1、S2)的一个配属于一个阴极的第一主电极相连，并且其集电极与半导体开关(S1、S2)的一个配属于一个阳极的第二主电极相连，并且其中，双极晶体管(T1)被一个基本上设在发射极和基极之间的控制电路(3)控制。
3.按照权利要求2所述的电路装置，其特征在于，控制电路(3)包括一个特别是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形式的控制晶体管(T2)、一个第一电容器(CS)、一个第二电容器(CG)、一个第一和一个第二电阻(RG和R2)的一个可控的电压源(V2)，其中，第一电容器(CS)经过控制晶体管(T2)接在双极晶体管(T1)的基极和发射极之间，电压源(V2)经过第二电阻(R2)与控制晶体管(T2)的控制电极相连，第一电阻(RG)设在控制晶体管(T2)的控制电极和第一主电极之间，并且第二电容器(CG)接在双极晶体管(T1)的集电极和控制晶体管(T2)的控制电极之间。
4.按照权利要求3所述的电路装置，其特征在于，在控制晶体管(T2)和第一电容器(CS)之间设有第三电阻(RS)。
5.按照权利要求3或4所述的电路装置，其特征在于，控制电路(3)的结构在于，一方面，在半导体开关(S1、S2)被断路之前不久，双极晶体管(T1)被接通一个第一时间间隔(t1)，另一方面，在半导体开关(S1、S2)被重新接通之前，双极晶体管被接通一个长于半导体开关的接通过程的第二时间间隔(t2)。
6.用于控制一个权利要求3所述的电路装置的控制电路的方法，其特征在于，一方面，在半导体开关(S1、S2)被断路之前不久，双极晶体管(T1)被接通一个第一时间间隔(t1)，另一方面，在半导体开关(S1、S2)被重新接通之前，双极晶体管被接通一个长于半导体开关的接通过程的第二时间间隔(t2)。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，在重新接通半导体开关(S1或S2)之前，以一个有限的前沿陡度实现对控制晶体管(T2)的接通，用此有限的前沿陡度确定半导体开关(S1或S2)中的电流上升速度。
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