CN1291543C - 容错电源变换电路 - Google Patents

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Abstract

一种电流容错电源变换电路，具有一个dc电源和开关器件，该开关器件将来自电源的dc电流逆变成ac负载电流。该容错电源变换电路包括一个保护电路，以便当感应负载短路时，防止开关器件处于过压状态，以使不导通开关器件免于过压。

Description

容错电源变换电路
相关申请的交叉参考
本申请要求2001年8月13日申请的第60/311,822号美国临时申请的权益。
技术领域
本发明涉及一种特别用于向感应负载提供ac电流的电源电路，该感应负载例如在感应加热或者感应熔化应用中使用，其中所述感应负载也许经历可能产生的短路，这取决于电源中使用的供电的布局、故障电压的高电平、通过的故障电流以及用于供电的开关器件。
背景技术
用于感应电炉或者其他实质上为感应阻抗的负载的传统串联谐振dc-ac逆变器电源电路包括一个dc电源和一个逆变器。该逆变器具有一对或者多对串联的开关电路。每个开关电路包括感应电抗器与开关器件如可控硅整流器(SCR)的串联组合，其中一个反并联二极管跨接在开关器件两端。当感应电抗器导通(整流)时，感应电抗器限制流经其关联的SCR的电流随时间的变化率，从而该电抗器被称之为限流(di/dt)电抗器。逆变器的SCR连接到感应负载，比如连接感应线圈，并且被交替地选通(触发)以在不导通与导通状态之间切换。通过这种安排，一对SCR中的每个SCR交替地允许电流以相反方向流经感应线圈，由此建立流经线圈的ac电流。
并联谐振dc-ac逆变器电源电路也供感应负载使用。然而，人们更愿意使用串联谐振dc-ac逆变器电源，因为它具有优越的可控制性。串联谐振dc-ac逆变器电源对感应负载短路敏感。例如，当负载是用于金属熔化的电感应炉中使用的感应线圈时，经常会溢出熔化的金属，或者将金属废料装入电炉，从而与线圈接触，至少造成两个或多个线圈匝间的部分短路。短路时在逆变器的不导通开关器件上产生的瞬间过压情况可以恶化或者毁坏该装置。解决此问题的一种方案是触发不导通开关器件导通，以消除装置上的过压情况。然而，该方案的缺点是，造成极高的流经开关器件的电流，由此在非常短的时间内在装置上产生极大的热量。该开关器件实际上被强迫经受极大的电流，以避免经历过电压情形。使开关器件经受这些高电流值的结果是装置的恶化以及过早损坏。
美国专利US6,038,157公开了一种解决该问题的方案。如图1所示，该专利提出，通过增加与感应负载串联的一个保护电感器来实现开关器件的过压保护。电路110包括：一个包含一个整流桥电路120(用简图显示)的dc电源、串联滤波电感器174、并联滤波电容器172以及两个被安排成反并联配置的固态开关器件130。每个开关器件具有一个连接到dc电源的输出母线的端子。反并联二极管132跨接在每一开关器件上。一个合适的(但是，不是限制性的)开关器件是一个栅控半导体器件，比如SCR。限流电抗器140串接在图1所示的一对开关器件之间。保护线圈150具有一个连接到限流电抗器140的近似电中点的第一端子，和一个连接到感应负载160第一端子的第二端子。感应负载160的第二端子连接到两个串联的换向或振荡电容器170的公共连接点，这两个电容器串联组合，跨接在dc电源的输出母线上。在一个感应金属熔化应用中，感应负载160通常缠绕在加热坩埚的外部周围。电源供应的直流电流通过开关器件130正负变换，向感应负载160供应ac电流。流经线圈160的电流产生一个与坩锅中的金属负载感应耦合的磁场。该磁场在金属负载中感生一个涡流并加热金属。由于保护性线圈150连续承载全部负载电流，因此产生明显的功率损耗，以致降低电源电路的总效率。此外，该损耗随电源的切换频率的增加而增加。如果感应负载160中出现短路，则通过包括保护线圈150和限流电抗器140的电压分配电路来降低施加给开关器件130的电压。
发明内容
本发明解决了感应负载中短路造成的过压状况对开关器件过早损坏的问题，而且不会降低正常操作条件下的电路效率，而且不会使开关器件为避免过压而经受高电平电流。
在一个方面，本发明是一种用于感应负载的容错电源变换电路，它通过将一对开关器件跨接在具有保护电容性元件的逆变器电路的支路中，使易损电源开关器件免于经受过多的过压状况。在负载电路发生短路的情况下，保护电容性元件抑制将要施加到开关器件上的过电压。
在另一个方面，本发明是一种容错电源变换电路，包括一个在感应负载短路期间，使不导通开关器件上的电压不超过不导通开关器件的峰值容许电压的保护电路。该保护电路包括串联的阻塞二极管和保护电容器，以及一个放电电阻器。阻塞二极管与保护电容器的串联组合跨接在一对开关电路的串联组合上。每个开关电路包括一个反并联连接到反并联二极管的一个开关器件。放电电阻器可以跨接在保护电容器上，或者连接在串联的阻塞二极管和保护电容器的公共连接点与正dc母线之间。保护电路可以用于具有多对开关电路的电源(比如，全桥逆变器)中的每对开关电路。
在另一个方面，本发明是一种容错电源变换电路，包括一个在感应负载短路期间使不导通开关器件上的电压不超过不导通开关器件的峰值容许电压的保护电路。该保护电路还可以在反并联二极管转到反向偏置时箝制对保护电路的电压冲击。保护电路包括：串联的阻塞二极管和保护电容器，以及串联的放电电阻器和扼流圈。放电电阻器经由扼流圈连接在串联的阻塞二极管和保护电容器的公共连接点与正dc母线之间。保护电路可以用于具有多对开关电路的电源(比如，全桥逆变器)中的每对开关电路。
本发明的其它方面在本说明书中描述。
附图说明
为了说明本发明的目的，附图中示出了本发明优选的形式；然而应当理解，本发明不限于所示的精确安排以及结构。
图1是现有技术的容错电源变换电路的简图；
图2a是本发明的容错电源变换电路的一个实例的简图，其中使用了一个半桥逆变器；
图2b是本发明的容错电源变换电路的另一个实例的简图，其中使用了一个全桥逆变器；
图2c是本发明的容错电源变换电路的另一个实例的简图，其中使用了一个半桥逆变器；
图2d是本发明的容错电源变换电路的另一个实例的简图，其中使用了一个全桥逆变器；
图3是当图2a中的SCR 30b不导通时在电源电路中出现感应线圈的短路之后，本发明的容错电源变换电路的一个实例的简化等效示意图；
图4a是显示采用图2a或者图2c所示的本发明容错电源变换电路的实例所实现的短路保护特性的波形图；
图4b是显示未采用图2a或者图2c所示的本发明容错电源变换电路所提供的保护的电源电路的短路特性的波形图；
图5a是本发明的容错电源变换电路另一个实例的简图，其中使用了一个半桥逆变器；
图5b是本发明的容错电源变换电路另一个实例的简图，其中使用了一个全桥逆变器；
图6是显示采用图5a所示的本发明容错电源变换电路的实例所实现的电压箝位特性的波形图；
图7是选择在本发明容错电源变换电路中使用的保护电容器的电容量的方法的曲线图。
具体实施方式
参见附图，其中相同标记指相同元件，图2a示出了本发明容错电源变换电路10的一个实例。两个开关器件30a和30b(比如SCR，但不限于此)的每一个分别与反并联二极管32a和32b反并联连接，以分别形成开关电路31a和32b。这些开关电路的第一端子在开关公共连接点93上连接在一起。限流电抗器40a和40b的第一端子分别连接到开关电路31a和31b的第二端子，以分别形成开关模块37a和37b。限流电抗器40a和40b的第二端子分别连接到dc电源20的正和负dc母线(输出线)。电源包括整流桥20(简图显示)与任选的串联滤波电感器74及并联滤波电容器72。
保护电路55包括：具有公共连接点95的串联连接的阻塞二极管52和保护电容器54，以及与电容器54并联连接的放电电阻器53，如图2a所示。如下所述，选择保护电容器54的电容量，以使保护电容器充电到小于开关器件的峰值容许电压的峰值电压值。开关器件的峰值容许电压可以是该装置的额定重复正向阻塞电压，它是发生在该装置上的正向电压的最大瞬时电压。保护电路55的线路90和91分别连接在限流电抗器40a与40b的第一端子(开关电路31a和31b的第二端子)之间。
感应负载60的第一端子连接到开关公共连接点93。感应负载60的第二端子连接到两个串联连接的换向或者谐振电容器70a与70b之间的电容器公共连接点94，这两个电容器70a和70b串联组合，并分别连接到电源的正和负dc母线上。换向电容器转移来自开关器件的负载电流，直至电流落到保持电流之下，并使开关器件关闭。相对于感应负载，以反并联配置连接开关模块对。
当使用限流电抗器时，通常在每个开关电路上使用一个缓冲器电路，以便在换向期间控制开关器件和反并联二极管上的瞬时电压，以及控制开关器件上的电压时间变化率(dv/dt)。图2a示出了一个典型的(不限于此)可选择的缓冲电路65的实例。缓冲电路包括串联在一起的电容器36、电阻器34和二极管33，和并联连接在二极管33和电阻器34组合上的电阻器35。电容器36和电阻器34在其关联的开关模块中与限流电抗器一起形成一个串联谐振电路。电阻器35通常具有一个比电阻器34阻值大得多的电阻值，以减少流经关联的开关电路中的开关器件的电容器36的放电电流。
在感应金属熔化应用中，感应负载60通常缠绕在其内放置金属负载的坩锅之外部。通过交替循环开关器件30a和30b，电源20的dc输出电流建立了经过感应负载60的ac电流。流经线圈的ac电流产生一个与坩锅中金属负载感应耦合的磁场。该磁场在金属负载中产生一涡流并加热和熔化金属。
当电源电路10操作时，保护电容器54充电至一个峰值电压，该峰值电压稍微高于dc母线电压和低于开关器件30a和30b的峰值容许电压。dc充电电流经由二极管52从电源20提供，并且在此期间反并联二极管从正向偏置转换到反向偏置。选择电阻器53和电容器54的阻抗值，使该电路的R-C时间常数足够大于由开关器件30a和30b切换频率建立的工作频率的时间周期。一般来说，为了满足该条件和最小化功率损耗，电阻器53应当足够大，以便为电容器54提供至少60秒的完全放电时间。一般情况下，该时间不应当超过滤波电容器72的放电时间。此外，电阻器53和电容器54的阻值和电容量乘积的倒数将远远大于开关器件的操作切换频率。
作为保护电路55操作的一个实例，感应负载60意外短路的最坏情况出现在流经开关器件30a的电流已经越过零基准以及反并联二极管32a已经开始导通之后不久。此时，感应负载60和换向电容器70b上的电压为它们的最高值。这些情况的等效电路如图3所示，其中线圈60短路(未示出)以及开关器件30b不导通。
换向电容器70b上的最大电压施加到二极管32a和52、保护电容器54和限流电抗器40b上。由于电容器上的电压不能瞬时变化，因此电容器70b与保护电容器54之间的电压差值必定瞬时施加到限流电抗器40b上。与保护电容器54并联连接(经由二极管32a和52进行并联，在正向偏置和导通电流时，可忽略这两个二极管的电压降)的不导通开关器件30b将经受与保护电容器54上的相同电压。选择保护电容器54的电容量，以使短路电流不会使电容器54充电到一个超过开关器件30a和30b的峰值容许电压的电压。因此，保护电容器54的电容量将足以从换向电容器70a和70b吸收电荷充电，使充电电压达到小于开关器件30a和30b额定峰值容许电压的一个电压。
图2b示出了与图2a相似的保护方案，其中的一个逆变器具有全桥整流器而不是半桥整流器。单一换向电容器70可以在全桥的ac输出上与感应负载60串联使用。为两对开关模块的每对模块设置保护电路55，所述开关模块包括全桥逆变器的两个支路。
图2c示出了本发明的容错电源变换电路的另一个实例，其中保护电路55a的放电电阻器53的第一端子连接到公共连接点95，放电电阻器53的第二端子连接电源20的正dc母线，从而保护电容器54通过正dc母线放电。图2d示出了与图2c相似的保护方案，其中的一个逆变器具有全桥整流器而不是半桥整流器。单一换向电容器70可以在全桥的ac输出上与感应负载60串联使用。为两对开关模块的每对模块设置保护电路55a，所述开关模块包括全桥逆变器的两个支路。
图7示出了用于确定保护电容器54的电容(C54)适当值的方法。图7的y轴代表开关器件30a和30b上的峰值容许电压(Vpk)，该峰值容许电压(Vpk)被定义为峰值容许电压对dc电源的dc电压(E)的比值。图7的x轴代表按照电容C54对等效换向或者谐振电容(Ccom)的比值选择电容C54，所述等效电容等于换向电容器70a和70b的电容之和，或者等于用于一个全桥逆变器的单一换向电容器70的电容。图7中的曲线81、82和83代表一族曲线，其中每个曲线由电容器70a或者电容器70b上的电压(电压基本相等)，或者全桥电路的电容器70的电压Vtcap对dc电源的电压E之比(R)(R＝Vtcap/E)的唯一值来定义。此外，在曲线81到曲线83的方向上，比值R逐渐增加。在使用图7选择电容C54的合适值的方法中，假定“S”代表用于峰值容许电压(Vpk)(例如，1800伏特)的容许的y轴比值。那么，C54的x轴比值必须从虚线“S”下的阴影区域中的适当曲线(由固定的操作电压Vtcap确定)部分中选取。对于特定操作系统，dc电源电压E实质上是一常数。
影响保护电容器54预期电容的主要因素是：开关器件30a和30b的最大峰值容许电压、换向电容器上观测的峰值电压、感应负载60短路前时刻保护电容器54上的电压以及换向电容器的电容。例如，如果感应负载60短路前时刻保护电容器54上的电压是1000伏特，开关器件30a和30b的最大峰值容许电压是1800伏特，以及换向电容器上观测的峰值电压是4200伏特，则保护电容器54的预期电容至少为等效换向电容的5倍。
图4a和图4b用图形示出了图2a至图2c所示的本发明的保护电路55的优点。曲线V70b代表换向电容器70b的电压随时间(在该特定实例中为毫秒)变化的情况。曲线V60代表感应负载60上的电压随时间变化的情况。曲线V30b代表开关器件30b上的电压随时间变化的情况。曲线V30a代表开关器件30a上的电压随时间变化的情况。曲线V54代表保护电容器54上的电压随时间变化的情况。意外短路发生在图4a和图4b中被标注为“SC”的时刻。在图4b(无保护电容器54)的时刻SC，开关器件30b上的电压上升到几乎4000伏特。在图4a(具有保护电容器54)的时刻SC，开关器件30b上的电压保持约为1450伏特，该电压是保护电容器54上的电压，并且远小于开关器件30a和30b的1800伏特最大容许峰值电压。在短路时刻之前，保护电容器54被充电至大约1000伏特。由于来自换向电容器70b的电荷，使保护电容器54的电压上升了额外的450伏特。
图5a示出了本发明的容错电源变换电路的另一个实例。在该实例中，缓冲器电路65a没有使用图2a至图2d所示实例中的充电电阻器34。图5a中的保护电路55b包括具有公共连接点95a的串联连接的二极管52a和保护电容器54a。放电电阻器53a的第一端子连接到公共连接点95a，电阻器53a的第二端子连接扼流圈56的第一端子，该扼流圈具有连接到dc电源的正dc母线的第二端子。保护电路55b的线路90a和91a分别连接在限流电抗器40a与40b的第一端子(开关器件31a和31b的第二端子)之间。
图2a至图2d所示的缓冲器充电电阻器34用来阻尼由相关限流电抗器和缓冲电容器36构成的串联谐振电路中的振荡。这将减少在其它开关器件的反并联二极管转换到反向偏置时刻在关联的开关器件上的电压尖脉冲。然而，使用充电电阻器34的不利因素是，增加了与其关联的开关器件的不导通dv/dt，并且产生随开关频率增加而增加的功率损耗。
由于保护电路55b跨接在开关器件30a和30b上，所以图5a所示的容错保护电源电路可以不使用缓冲器充电电阻器。按上述方式选择的保护电容器54a，在其它开关电路中的反并联二极管转换到反向偏置时刻，将具有足够的电容箝制开关器件上的电压过量冲击。图6用图形示出了图5a所示的保护电路55b的优点。曲线V54a代表被充电的保护电容器54a上的电压随时间(在该特定实例中为微秒(μs))变化的情况，在该实例中为1000伏特。曲线V′30代表图2a至图2b所示电路的开关器件30a或者30b上的电压随时间变化的情况。曲线V30代表图5a所示电路的开关器件30a或者30b上的电压随时间变化的情况。曲线I54a代表在一段时间通过图5a中保护电容器54a的电流。如曲线V30所示，图5中开关器件30a或者30b上的电压将被箝位到保护电容器54a的电压。与曲线V′30(代表利用图2a至图2d所示的缓冲器充电电阻器的电路中的开关器件上的电压)比较，对于具有缓冲器充电电阻器的电路，其dv/dt大于没有充电电阻器的dv/dt，因为，电压曲线V30和V′30中的差值等于充电电阻器34的电压降。
由于图5a电路中使用的反并联二极管对以电路中开关器件对的切换频率从正向偏置(导通)转换到反向偏置(截止)，因此箝位电压V30将导致保护电容器54a的进一步充电。保护电容器54a上的额外充电或者电压将经由电阻器53a和扼流圈56放电。选择电阻器53a的电阻和扼流圈56a的感应系数，以便从缓冲器电路65a返回到dc电源的能量最佳化，并保持适当的箝位电压。电阻器53a与扼流圈56的串联使用将进一步减小通过保护电容器54a的放电电流I54a的均方根值(RMS)和抖动。从而减少了放电电阻器53a的功率损耗。如果扼流圈56被制成具有合适的电阻值，则电阻器53a和扼流圈56可以用单一的阻性/感应元件替代。
如果图5a所示的缓冲器电路65a具有为保持图2a至图2d中缓冲器电路65的相同dv/dt值而选择的元件，则图5a中缓冲电容器36的电容将小于图2a至图2d中缓冲电容器36的电容。从而，图5a中缓冲电阻器35中的功率损耗将小于图2a至图2d中缓冲电阻器35的功率损耗。
图5b示出了与图5a相似的保护方案，其中逆变器具有全桥整流器而不是半桥整流器。单一换向电容器70可以在全桥ac输出上与感应负载60串联使用。为两对开关模块的每一对设置保护电路55，所述开关模块包括全桥整流器的两个支路。
本发明的实例包括对具体电元件的参考。本领域的熟练技术人员可以采用替代元件实施本发明，这些替代元件不一定是同类型的，但均将建立预期条件或者实现本发明的预期结果。例如，可以用多个元件替代单一元件，反之亦然。此外，本领域的熟练技术人员可以通过重新安排元件以建立预期条件或者实现本发明预期结果。尽管在本发明实例中图示说明了单对开关器件，但是也可以利用并联的多对开关器件实施本发明。在本发明的所有实例中，感应负载的短路可以是该线圈的局部短路。此外，尽管这些实例示出了串联谐振电源中的本发明的操作，但是本发明可应用于本领域熟练技术人员理解的进行适当修改的其它电源结构。
上述实例不限制所公开发明的范围。

Claims (20)

1、一种容错电源变换电路，该电路包括：一个dc电源，具有带正和负dc母线的dc输出；一个逆变器支路，该逆变器支路包括一对开关模块；该开关模块对的每一个模块包括一个开关电路及与其串联连接的限流电抗器；每个开关电路包括与反并联二极管反并联连接的一个开关器件，该开关模块对的第一模块具有公共地连接到开关模块对第一模块中的限流电抗器的开关器件的阳极，开关模块对的第二模块具有公共地连接到开关模块对第二模块的限流电抗器的开关器件的阴极，开关模块对的第一模块具有连接到正dc母线的限流电抗器，开关模块对的第二模块具有连接到负dc母线的限流电抗器，该开关模块对具有一个开关公共连接点，该公共开关连接点将开关模块对第一模块的开关器件的阴极和开关模块对第二模块的开关器件的阳极连接在一起；在电源的dc输出跨接串联连接的第一和第二换向电容器，该第一和第二换向电容器在一个电容器公共连接点上连接在一起；在开关公共连接点与电容器公共连接点之间连接一感应负载；其特征在于该电路还包括：
一个保护电路，包括：
一个保护电容器；
一个阻塞二极管，其阴极与保护电容器串联连接，阻塞二极管与保护电容器的串联组合跨接在第一开关模块的开关电路的开关器件阳极和第二开关模块的开关电路的开关器件阴极上；和
一个与保护电容器并联连接的放电电阻器，藉此，保护电容器充电到小于开关器件峰值容许电压的电压，并且当感应负载至少被局部短路时，从第一和第二换向电容器吸收额外的电荷，使保护电容器上的充电增加到小于开关器件的峰值容许电压的电压，以使短路时施加到不导通开关器件上的电压小于不导通开关器件的峰值容许电压。
2、根据权利要求1所述的容错电源变换电路，还包括一个用于每个开关电路的缓冲器电路，该缓冲器电路包括：
一个缓冲电容器；
一个第一缓冲电阻器；
一个缓冲二极管；和
一个第二缓冲电阻器，该第二缓冲电阻器与缓冲二极管及第一缓冲电阻器的串联组合并联连接，缓冲电容器、第一缓冲电阻器以及缓冲二极管的串联组合跨接在开关电路上，缓冲二极管的阳极连接到开关器件的阳极。
3、一种容错电源变换电路，该电路包括：一个dc电源，具有带正和负dc母线的dc输出；一对逆变器支路，该逆变器支路对的每个支路包括一对开关模块；该开关模块对的每一个模块包括一个开关电路及与其串联连接的限流电抗器；每个开关电路包括与反并联二极管反并联连接的一个开关器件，该开关模块对的第一模块具有公共地连接到开关模块对第一模块中限流电抗器的开关器件的阳极，开关模块对的第二模块具有公共地连接到开关模块对第二模块的限流电抗器的开关器件的阴极，逆变器支路对的每个支路的开关模块对的第一模块具有连接到正dc母线的限流电抗器，逆变器支路对的每个支路的开关模块对的第二模块具有连接到负dc母线的限流电抗器，逆变器支路对的每个支路的开关模块对具有一个开关公共连接点，该公共开关连接点将每个逆变器支路中的开关模块对第一模块的开关器件的阴极和开关模块对第二模块的开关器件的阳极连接在一起；一个感应负载；一个与感应负载串联连接的换向电容器；感应负载和换向电容器的串联组合连接在逆变器支路对第一支路的开关公共连接点与逆变器支路对第二支路开关公共连接点之间；其特征在于该电路还包括：
一个用于逆变器支路对中的每个逆变器支路的保护电路，该保护电路包括：
一个保护电容器；
一个阻塞二极管，其阴极与保护电容器串联连接，阻塞二极管与保护电容器的串联组合跨接在开关模块对中的第一开关模块的开关电路的开关器件阳极和第二开关模块的开关电路的开关器件阴极上；和
一个与保护电容器并联连接的放电电阻器，藉此，保护电容器充电到小于开关器件峰值容许电压的电压，并且当感应负载至少被局部短路时，从换向电容器吸收额外的电荷，使保护电容器上的充电增加到小于开关器件的峰值容许电压的电压，以使短路时施加到不导通开关器件上的电压小于不导通开关器件的峰值容许电压。
4、根据权利要求3所述的容错电源变换电路，还包括一个用于每个开关电路的缓冲器电路，该缓冲器电路包括：
一个缓冲电容器；
一个第一缓冲电阻器；
一个缓冲二极管；和
一个第二缓冲电阻器，该第二缓冲电阻器与缓冲二极管及第一缓冲电阻器的串联组合并联连接，缓冲电容器、第一缓冲电阻器以及缓冲二极管的串联组合连接在开关电路上，缓冲二极管的阳极连接到开关器件的阳极。
5、一种容错电源变换电路，该电路包括：一个dc电源，具有带正和负dc母线的dc输出；一个逆变器支路，该逆变器支路包括一对开关模块；该开关模块对的每一个模块包括一个开关电路及与其串联连接的限流电抗器；每个开关电路包括与反并联二极管反并联连接的一个开关器件，该开关模块对的第一模块具有公共地连接到开关模块对第一模块中限流电抗器的开关器件的阳极，开关模块对的第二模块具有公共地连接到开关模块对第二模块的限流电抗器的开关器件的阴极，开关模块对的第一模块具有连接到正dc母线的限流电抗器，开关模块对的第二模块具有连接到负dc母线的限流电抗器，该开关模块对具有一个开关公共连接点，该公共开关连接点将开关模块对第一模块的开关器件的阴极和开关模块对第二模块的开关器件的阳极连接在一起；串联连接的第一和第二换向电容器跨接在电源dc的输出上，该第一和第二换向电容器在一个电容器公共连接点上连接在一起；在开关公共连接点与电容器公共连接点之间连接一感应负载；其特征在于该电路还包括：
一个保护电容器；
一个阻塞二极管，其阴极与保护电容器串联连接，保护电容器与阻塞二极管在一个第一公共端子上连接在一起，阻塞二极管和保护电容器的串联组合跨接在第一开关模块的开关电路的开关器件阳极和第二开关模块的开关电路的开关器件阴极上；和
一个连接在第一公共端子与正dc母线之间的放电电阻器，藉此，保护电容器充电到小于开关器件峰值容许电压的电压，并且当感应负载至少被局部短路时，从第一和第二换向电容器吸收额外的电荷，使保护电容器上的充电增加到小于开关器件的峰值容许电压的电压，以使短路时施加到不导通开关器件上的电压小于不导通开关器件的峰值容许电压。
6、根据权利要求5所述的容错电源变换电路，还包括一个用于每个开关电路的缓冲器电路，该缓冲器电路包括：
一个缓冲电容器；
一个第一缓冲电阻器；
一个缓冲二极管；和
一个第二缓冲电阻器，该第二缓冲电阻器与缓冲二极管和第一缓冲电阻器的串联组合并联连接，缓冲电容器、第一缓冲电阻器以及缓冲二极管的串联组合跨接在开关电路上，缓冲二极管的阳极连接到开关器件的阳极。
7、一种容错电源变换电路，该电路包括：一个dc电源，具有带正和负dc母线的dc输出；一对逆变器支路，该逆变器支路对的每个支路包括一对开关模块；该开关模块对的每一个模块包括一个开关电路及与其串联连接的限流电抗器；每个开关电路包括与反并联二极管反并联连接的一个开关器件，该开关模块对的第一模块具有公共地连接到开关模块对第一模块中限流电抗器的开关器件的阳极，开关模块对的第二模块具有公共地连接到开关模块对第二模块的限流电抗器的开关器件的阴极，逆变器支路对的每个支路的开关模块对的第一模块具有连接到正dc母线的限流电抗器，逆变器支路对的每个支路的开关模块对的第二模块具有连接到负dc母线的限流电抗器，逆变器支路对的每个支路的开关模块对具有一个开关公共连接点，该公共开关连接点将每个逆变器支路中的开关模块对第一模块的开关器件阴极和开关模块对第二模块的开关器件阳极连接在一起；一个感应负载；一个与感应负载串联连接的换向电容器；感应负载和换向电容器的串联组合连接在逆变器支路对第一支路的开关公共连接点与逆变器支路对第二支路开关公共连接点之间；其特征在于该电路还包括：
一个用于逆变器支路对的每个逆变器支路的保护电路，该保护电路包括：
一个保护电容器；
一个阻塞二极管，其阴极与保护电容器串联连接，保护电容器和阻塞二极管在第一公共端子上连接在一起，阻塞二极管与保护电容器的串联组合跨接在第一开关模块的开关电路的开关器件阳极和第二开关模块的开关电路的开关器件阴极上；和
一个连接在第一公共端子与正dc母线之间的放电电阻器，藉此，保护电容器充电到小于开关器件峰值容许电压的电压，并且当感应负载至少被局部短路时，从换向电容器吸收额外的电荷，使保护电容器上的充电增加到小于开关器件的峰值容许电压的电压，以使短路时施加到不导通开关器件上的电压小于不导通开关器件的峰值容许电压。
8、根据权利要求7所述的容错电源变换电路，还包括一个用于每个开关电路的缓冲器电路，该缓冲器电路包括：
一个缓冲电容器；
一个第一缓冲电阻器；
一个缓冲二极管；和
一个第二缓冲电阻器，该第二缓冲电阻器与缓冲二极管和第一缓冲电阻器的串联组合并联连接，缓冲电容器、第一缓冲电阻器以及缓冲二极管的串联组合跨接在开关电路上，缓冲二极管的阳极连接开关器件的阳极。
9、一种容错电源变换电路，该电路包括：一个dc电源，具有带正和负dc母线的dc输出；一个逆变器支路，该逆变器支路包括一对开关模块；该开关模块对的每一个模块包括一个开关电路及与其串联连接的限流电抗器；每个开关电路包括与反并联二极管反并联连接的一个开关器件，该开关模块对的第一模块具有公共地连接到开关模块对第一模块中限流电抗器的开关器件的阳极，开关模块对的第二模块具有公共地连接到开关模块对第二模块的限流电抗器的开关器件的阴极，开关模块对的第一模块具有连接到正dc母线的限流电抗器，开关模块对的第二模块具有连接到负dc母线的限流电抗器，该开关模块对具有一个开关公共连接点，该公共开关连接点将开关模块对第一模块的开关器件的阴极和开关模块对第二模块的开关器件的阳极连接在一起；串联连接的第一和第二换向电容器跨接在电源dc输出上，该第一和第二换向电容器在一个电容器公共连接点上连接在一起；连接在开关公共连接点与电容器公共连接点之间的一个感应负载；其特征在于该电路还包括：
一个保护电路，包括：
一个保护电容器；
一个阻塞二极管，其阴极与保护电容器串联连接，保护电容器与阻塞二极管在一个第一公共端子上连接在一起，阻塞二极管和保护电容器的串联组合跨接在第一开关模块的开关电路的开关器件阳极和第二开关模块的开关电路的开关器件阴极上；和
一个放电电阻器，具有连接到第一公共端子的第一电阻器端子；和
一个扼流圈，具有一个连接到放电电阻器的第二电阻器端子的第一扼流圈端子和一个连接正dc母线的第二扼流圈端子；和
一个用于每个开关电路的缓冲器电路，该缓冲器电路包括：
一个缓冲电容器；
一个缓冲二极管；和
一个缓冲电阻器，该缓冲电阻器与缓冲二极管并联联接，缓冲电容器与缓冲二极管的串联组合跨接在开关电路上，缓冲二极管的阳极连接开关器件的阳极，藉此，保护电容器充电到小于开关器件峰值容许电压的电压，当反并联二极管转换到反向偏置时箝制开关器件上的电压过冲击，并且当感应负载至少被局部短路时，从第一和第二换向电容器吸收额外的电荷，使保护电容器上的充电增加到小于开关器件的峰值容许电压的电压，以使短路时施加到不导通开关器件上的电压小于不导通开关器件的峰值容许电压。
10、一种容错电源变换电路，该电路包括：一个dc电源，具有带正和负dc母线的dc输出；一对逆变器支路，该逆变器支路对的每个支路包括一对开关模块；该开关模块对的每一个模块包括一个开关电路及与其串联连接的限流电抗器；每个开关电路包括与反并联二极管反并联连接的一个开关器件，该开关模块对的第一模块具有公共地连接到开关模块对第一模块中限流电抗器的开关器件的阳极，开关模块对的第二模块具有公共地连接到开关模块对第二模块的限流电抗器的开关器件的阴极，逆变器支路对的每个支路的开关模块对的第一模块具有连接到正dc母线的限流电抗器，逆变器支路对的每个支路的开关模块对的第二模块具有连接到负dc母线的限流电抗器，逆变器支路对的每个支路的开关模块对具有一个开关公共连接点，该公共开关连接点将每个逆变器支路中的开关模块对第一模块的开关器件阴极和开关模块对第二模块的开关器件阳极连接在一起；一个感应负载；一个与感应负载串联连接的换向电容器；感应负载和换向电容器的串联组合连接在逆变器支路对第一支路的开关公共连接点与逆变器支路对第二支路开关公共连接点之间；其特征在于该电路还包括：
一个用于逆变器支路对的每个逆变器支路的保护电路，该保护电路包括：
一个保护电容器；
一个阻塞二极管，其阴极与保护电容器串联连接，保护电容器和阻塞二极管在第一公共端子上连接在一起，阻塞二极管与保护电容器的串联组合跨接在第一开关模块的开关电路的开关器件阳极和第二开关模块的开关电路的开关器件阴极上；
一个放电电阻器，具有连接第一公共端子的第一电阻器端子；和
一个扼流圈，具有一个连接放电电阻器的第二电阻器端子的第一扼流圈端子和一个连接正dc母线的第二扼流圈端子；和
一个用于每个开关电路的缓冲器电路，该缓冲器电路包括：
一个缓冲电容器；
一个缓冲二极管；和
一个缓冲电阻器，该缓冲电阻器与缓冲二极管并联联接，缓冲电容器与缓冲二极管的串联组合跨接在开关电路上，缓冲二极管的阳极连接开关器件的阳极，藉此，保护电容器充电到小于开关器件峰值容许电压的电压，当反并联二极管转换到反向偏置时箝制开关器件上的电压过冲击，并且当感应负载至少被局部短路时，从换向电容器吸收额外的电荷，使保护电容器上的充电增加到小于开关器件的峰值容许电压的电压，以使短路时施加到不导通开关器件上的电压小于不导通开关器件的峰值容许电压。
11、一种向感应负载提供容错电源变换电路的方法，其中所述电路包括：一个具有dc输出的电源；一个逆变器支路，该逆变器支路包括一对开关模块；该开关模块对的每一个模块包括与一个开关电路串联的限流电抗器；开关电路包括与反并联二极管反并联连接的一个开关器件，该开关模块对每个模块中的开关电路在开关公共连接点上连接在一起，逆变器支路跨接在电源的dc输出上；一对换向电容器的串联组合跨接在电源的dc输出上；感应负载跨接在开关公共连接点和换向电容器对的公共连接点上，开关模块对的每个模块中的开关器件按照反向并联配置安排，以向感应负载提供ac电力，该方法包括以下步骤：
对跨接在一对开关模块的两开关电路上的保护电容器充电到一个小于开关器件峰值容许电压的电压；和
当感应负载至少被局部短路时，保护电容器从换向电容器对吸收电荷，使其充电到小于开关器件的峰值容许电压的电压。
12、根据权利要求11所述方法，还包括一个用跨接在保护电容器上的电阻器对保护电容器放电的步骤。
13、根据权利要求11所述的方法，还包括用连接在保护电容器与电源dc输出的正dc母线之间的电阻器对保护电容器放电的步骤。
14、根据权利要求11所述的方法，还包括当反并联二极管转换到反向偏置时，箝制开关器件上的电压过冲击的步骤。
15、根据权利要求14所述的方法，还包括利用在保护电容器与电源dc输出的正dc母线之间串联连接的电阻器和扼流圈对保护电容器放电的步骤。
16、一种向感应负载提供容错电源变换电路的方法，其中所述电路包括：一个具有dc输出的电源；第一和第二逆变器支路，每个逆变器支路包括一对开关模块；每个开关模块包括与一个开关电路串联的限流电抗器；开关电路包括与反并联二极管反并联连接的一个开关器件，每个逆变器支路中的开关模块对的每个模块中的开关电路在一个开关公共连接点上连接在一起，第一和第二逆变器支路跨接在电源的dc输出上；感应负载与换向电容器串联连接，感应负载与换向电容器的串联组合连接在第一逆变器支路中的开关公共连接点与第二逆变器支路中的开关公共连接点之间，以向感应负载提供ac电力，该方法包括以下步骤：
对跨接在第一逆变器支路中的开关电路上的第一保护电容器充电到一个小于开关器件峰值容许电压的电压；
对跨接在第二逆变器支路中的开关电路上的第二保护电容器充电到一个小于开关器件峰值容许电压的电压；
当感应负载至少被局部短路时，第一保护电容器从换向电容器吸收电荷，使其充电到小于开关器件的峰值容许电压的一个电压；和
当感应负载至少被局部短路时，第二保护电容器从换向电容器吸收电荷，使其充电到小于开关器件的峰值容许电压的一个电压。
17、根据权利要求16所述方法，还包括一个用跨接在保护电容器上的电阻器对保护电容器放电的步骤。
18、根据权利要求16所述的方法，还包括用连接在保护电容器与电源dc输出的正dc母线之间的电阻器对保护电容器放电的步骤。
19、根据权利要求16所述的方法，还包括当反并联二极管转换到反向偏置时，箝制开关器件上的电压过冲击的步骤。
20、根据权利要求19所述的方法，还包括利用在保护电容器与电源dc输出的正dc母线之间串联连接的电阻器和扼流圈对保护电容器放电的步骤。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: INDUCTOTHERM GROUP CHINA Ltd.

Assignor: Inductotherm Corp.

Contract record no.: 2010990000616

Denomination of invention: Fault tolerant power supply circuit

Granted publication date: 20061220

License type: Exclusive License

Open date: 20040728

Record date: 20100810

CX01 Expiry of patent term
CX01 Expiry of patent term

Granted publication date: 20061220