CN1913313A

CN1913313A - 串联n个源极输出器的三相n线制开关线性复合功率变换装置

Info

Publication number: CN1913313A
Application number: CNA2006100881103A
Authority: CN
Inventors: 周谦之; 吴斌; 胡文华
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2006-06-24
Filing date: 2006-06-24
Publication date: 2007-02-14

Abstract

本发明公开了一种串联N个源极输出器的三相N线制开关线性复合功率变换装置。该装置用线性单元与纹波供电的开关滤波单元复合后，用较少的功率器件、简单的控制与电路结构实现了“源极或射极输出器”型线性功率放大器保真传递功率信号，兼有负载阶跃扰动时的优良动态性能，适应阻、感、容等线性负载和某类晶闸管等非线性负载的优点；又同时摈弃了线性功率放大器效率偏低，重量和体积偏大的缺点，从而获取优于开关放大器的静、动态性能。本发明为高性能抑制谐波型的三相调压器、电机起动器、变频电源、超低频电机调速变频器和其它特种电源的问世或更新换代提供了母本。

Description

串联N个源极输出器的三相N线制开关线性复合功率变换装置

技术领域：

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种串联N个源极输出器的三相N线制开关线性复合功率变换装置。

背景技术：

本发明是在先行发明专利“跟踪式电力有源滤波器”(专利号：00112420.X)的基础上提出的，先行发明已在单相系统中较好地实现了期望目标，但由于与开关单元复合时，需成倍增加功率器件，成本有所增加，构成三相系统的“性价比”难于为企业接受，从而限制了这一原创专利成果的发展空间。

发明内容：

本发明的目的就是要克服现有技术存在的问题，提供一种串联N个源极输出器的三相N线制开关线性复合功率变换装置。

本发明所提供的串联N个源极输出器的三相N线制开关线性复合功率变换装置，其特征在于：由三相开关滤波单元2(可以是逆变器)向三相线性单元3供电，单元2的前级单元1可以为AC/DC整流器，当开关滤波单元2中含交流斩波器时，单元1被省略；在三相三线制系统中，仅用三个功率器件构成线性单元3，其中每相中的一个功率器件与另一相中的一个功率器件构成“源极或射极输出器对管”，采用线电压纹波供电方式；在三相四线制系统中，用四个功率器件构成线性单元3，其中一个器件是三相共用的，反串在Y接型负载的中性点和中线之间，采用相电压纹波供电方式。当单元2输出的三相纹波供电电压和负载上电压都按比例跟踪单元4输出的同一个三相参考信号时，就在三相负载7上得到与该信号同频、同相、同形状，幅值成比例的功率级电压。其比例关系由电压放大单元5和取样单元6决定。由于开关滤波单元2输出的纹波供电瞬时电压Vs包络于负载电压V_L，且仅比负载上的瞬时电压V_L高几伏，相当于功率器件的管饱和压降数量级。因此它在实现高效功率传递的同时，保持了源极或射极输出器型线性功率放大器优良的静、动态性能；而装置的体积、重量均接近同容量开关变换器。

该变换装置，当N为三时，即为串联三个源极输出器的三相三线制开关线性复合功率变换装置；当N为四时，即为串联四个源极输出器的三相四线制开关线性复合功率变换装置。为了保持“源极或射极输出器”型线性功率放大器保真传递功率信号，兼有负载阶跃扰动时的优良动态性能，适应阻、感、容等线性负载和某类晶闸管等非线性负载的优点；但又能摈弃线性功率放大器效率偏低，重量和体积偏大的缺点，在高效传递功率的前提下，取同容量开关放大器相近的重量和体积，而获取优于开关放大器的静、动态性能，用于高性能功率变换领域。

本发明延续了先行发明专利(专利号：00112420.X)的基本思路，充分利用MOSFET功率场效应管的沟道双向导电机理，在构成三相三线制开关线性复合功率变换装置时，仅用三个功率器件构成线性单元，由每相中的一个功率器件与另一相中的一个功率器件构成“源极或射极输出器对管”，采用三相开关滤波单元线电压纹波供电方式；在构成三相四线制开关线性复合功率变换装置时，用四个功率器件构成线性单元，其中一个器件是三相共用的，采用三相开关滤波单元相电压纹波供电方式。这比用“源极或射极输出器对管”构成一相基本线性单元后，再由三个基本线性单元组成三相开关线性复合功率变换装置节省了大量功率器件，从而降低此类三相系统的制造成本；为廉价实现高性能三相开关线性复合功率变换装置提供了控制与电路结构最简便的技术方案；进而为要求输出电压THD％值低、适应多类负载和抗负载扰动及参数变化能力强的、高性能抑制谐波型的三相调压器、电机起动器、变频电源、超低频电机调速变频器和其它特种电源的问世或更新换代提供了母本。

附图说明：

图1是本发明装置的电路特征结构原理框图；

其中，实线部分为三相三制系统，实线部分加虚线部分为三相四线制系统。

图2与图1相对应，用波形说明线性传递功率时能取得高效率。

图3是本发明用于三相三线制系统时，“串联三个源极输出器的开关线性复合功率变换装置”的一种组合电路；图4是其组合细节。

图5、图6是反映图4中器件处于特殊工作状态时，负载电压跟踪门极电压的实测波形。

图7是本发明用于三相四线制系统时，“串联四个源极输出器的开关线性复合功率变换装置”的一种组合电路；图8是其组合细节。

图9是图8各点的实测特征波形。

图10是本发明根据图3、图4的一种实施例；图11、图12是说明该实施例优良性能的实测波形。

图13是本发明根据图7、图8的一种实施例。

图14是本发明根据图3、图4的又一种实施例。

具体实施方式：

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

图1中，单元2的前级单元1可以为AC/DC整流器。当开关滤波单元2为交流斩波器时，单元1被省略。三相开关滤波单元2向三相线性单元3供电。单元3向负载供电。

图1实线部分表示三相三线制的情况：其中，线性单元3仅用三个功率器件构成单元3-1中的三相，其中每相中的一个功率器件与另一相中的一个功率器件构成“源极或射极输出器对管”；采用线电压纹波供电方式。当单元2输出的三相纹波供电电压和负载上电压都按比例跟踪单元4中同一个三相参考信号时，就在Y联接或Δ联接的三相负载单元7上得到与该三相信号同频、同相、同形状，幅值成比例的功率级电压。其比例关系由电压放大单元5和取样单元6决定。其中，单元6输出的小信号作用于开关滤波单元2内部的控制器，施控于单元2中各开关功率器件的门极；而电压放大单元5输出的三相电压信号接于线性单元3中三个“源极或射极输出器”线性功率器件的门极g₁、g₂、g₃。

图1实线加虚线部分表示三相四线制的情况：其中，线性单元3由三个功率器件构成单元3-1中的三相；一个器件构成单元3-2，为三相共用，反串在Y接型负载的中性点和中线之间；采用相电压纹波供电方式。它与三相三线制的工作方式基本上相同，但电压放大单元5还为3-2中器件的门极g₄提供了一路三相公共的被跟踪信号。

图2中，开关滤波单元2输出的纹波供电瞬时电压V_S包络于负载电压V_L，且仅比负载上的瞬时电压V_L高几伏(相当于功率器件的管饱和压降数量级)。线性单元3处于开关滤波单元2和负载单元7之间，供电电压纹波恰降落于单元3中的功率器件两端。器件工作于源极或射极输出器，即电压跟随器的线性状态，功率损耗却只有低管压降与管中电流的乘积。因此在实现高效功率传递的同时，保持了源极或射极输出器型线性功率放大器优良的静、动态性能。

随着压控型功率器件制造工艺的不断进步，新器件的通态电阻值可越做越小，使管子的通态电压更小，开通阈值更低；从而存在进一步提高效率的潜力。再则，复合了线性单元的前级开关滤波单元，可选小于常规的LC参数滤波。开关滤波单元的效率也适当提高，两级复合后的总效率可不低于同容量的纯开关滤波装置，总效率在市电级电压供电状态可达95％左右。

图3是本发明用于三相三线制系统时“串联三个源极输出器的开关线性复合功率变换装置”的一种组合电路；图4是单元3与7的组合细节。其中，单元3，即图1中的3-1，由三个MOSFET功率管T1、T2、T3构成三相源极输出器，即源极跟随器，工作于跟随门极g₁、g₂、g₃电压，即电压放大单元5输出的线电压信号的线性状态。

对应参考信号，即纹波电源线电压V_ab的正半周，线电流从a相纹波电源流经T1、a相负载、b相负载后，可以有两条路径返回b相纹波电源。一条是经T2管内部衬底的寄生反并联二极管DT2；另一条是经T2管内部的导电沟道反流。此时源极与漏极功能对调。当电压放大单元5输出的线电压信号V_ab的幅值加于a、b相的线性功率管的门极g₁、g₂，被调整得过于接近纹波电源线电压V_ab的幅值时，由于MOSFET器件制造工艺上将衬底与一端内部连接，使沟道双向导电的情况不完全对称，T2管会比T1管的工作状态先进入可变电阻区边界，管上压降接近反并联二极管DT2的钳位电压，此时线电流主要经DT2衬底路径返回电源。当电压放大单元5输出的线电压信号V_ab的幅值保持低于纹波电源线电压V_ab的幅值2伏左右时，线电流同时经源漏极功能对调的T2管内部的导电沟道和衬底的寄生反并联二极管DT2两条路径返回电源，但DT2上电压高于二极管钳位电压。这时，源、漏、门极间电压差值很小，MOSFET场效应管内部衬底的阻值不能忽略，寄生反并联二极管应更精确地等效为一个三极管，起分流作用。

对应参考信号，即纹波电源线电压V_ab的负半周，线电流从b相纹波电源流经T2、b相负载、a相负载后，可以有两条路径返回a相纹波电源。一条是经T1管内部衬底的寄生反并联二极管DT1；一条是经T1管内部的导电沟道反流。此时源极与漏极功能对调。当电压放大单元5输出的线电压信号V_ab的幅值，加于a、b相的线性功率器件的门极g₁、g₂，被调整得过于接近纹波电源线电压V_ab的幅值时，由于MOSFET器件制造工艺上将衬底与一端内部连接，使沟道双向导电的情况不完全对称，T1管会比T2管的工作状态先进入可变电阻区边界，管上压降接近反并联二极管DT1的钳位电压，此时线电流主要经DT1衬底路径返回电源。当电压放大单元5输出的线电压信号V_ab的幅值保持低于纹波电源线电压V_ab的幅值2伏左右时，线电流同时经源漏极功能对调的T1管内部的导电沟道和衬底的寄生反并联二极管DT1两条路径返回电源，但DT1上电压高于二极管钳位电压。这时，源、漏、门极间电压差值很小，MOSFET场效应管内部衬底的阻值不能忽略，寄生反并联二极管应更精确地等效为一个三极管，起分流作用。

仅当线电流主要选择MOSFET源漏极功能对调的导电沟道返回电源时，才能在线电压负载上得到跟踪g₁、g₂两端门极线电压V_ab正负半周的完整波形。这也正是本发明应设置的状态。当MOSFET衬底反并联二极管成为线电流返回电源的主要路径时，其钳位作用凸显，只能在线电压负载上得到跟踪g₁、g₂两端门极电压V_ab半周和纹波电源线电压V_ab另半周的合成整周波形；电源纹波将出现在负载上电压波形的另半周。这正是本发明应避免设置的状态。

对应参考信号，即纹波电源线电压V_bc、V_ca正负半周的工作情况与以上描述类似。

图5、图6是反映器件特殊工作状态的实测负载电压波形。其中图5反映调整正确的状态；图6反映调整时需避免的状态。

图7是本发明用于三相四线制系统时“串联四个源极输出器的开关线性复合功率变换装置”的一种组合电路；图8是单元3的子单元3-1、3-2与单元7的组合细节。其中，单元3-1由三个MOSFET功率管T1、T2、T3构成三相正向源极输出器，单元3-2为一个三相共用的负向源极输出器线性功率管T4，反串在Y接型负载的中性点和中线之间，采用相电压纹波供电方式。除了为T1、T2、T3的门极g₁、g₂、g₃提供被跟踪信号以外，电压放大单元5还为T4的门极g₄提供了一路三相公共的被跟踪信号。三相源极输出器，即源极跟随器，工作于跟随门极电压的线性状态；单元7由三相Y型连接的负载组成。其工作原理与图3、图4中的情况类似。不同之处在于：T4管的每个瞬时均通过双向电流，分别流经MOSFET管的沟道和衬底；且三相电流总和为零，酷似一段导线；然而，其本质并非导线，每相负载上得到跟踪该相MOSFET功率管门极和公共管T4门极的电压波形，T4管本身两端的电压波形变换规律也有别于图3、图4电路中的正向源极输出器。

图9是实测三相四线制系统中，串联四个源极输出器功率管T1、T2、T3、T4时，各管的特殊波形和三相正常工作的各点跟踪电压波形，以及一相负载电流波形。它更充分地证实了MOSFET功率器件沟道和衬底同时导电的特殊功能。

图10是本发明根据图3、图4的一种实施例，用于三相三线制系统。当开关滤波单元2中含交流斩波器时，单元1被省略；其单元4输出的三相参考信号应从三相电源取样，与之同步；与负载串联的开关管断态时滤波储能的续流通路由π形LC网络提供，通过合理配置参数，创造准零开关条件。这使单元2的效率高于常规交流斩波器滤波单元；从而复合出最少功率器件的高性能“三相开关线性复合功率变换调压装置”。

图11、图12是说明图10实施例优良性能的实测波形。其中图11说明，在负载由100Ω突变至50Ω时，电流阶跃变化冲击下，开关滤波单元的供电波形已被迫突变，但线性单元却因源极输出器具有高阻输入、低阻输出特性而维持了对门极信号的完全跟踪；体现了本发明装置的负载鲁棒性很强。图12说明，在对整流滤波非线性负载供电时，开关滤波单元的供电波形已被迫畸变，出现平顶，但线性单元却因源极输出器具有高阻输入、低阻输出特性而维持了对门极信号的完全跟踪；体现了本发明装置的负载适应性很强。

图13是本发明根据图7、图8的一种实施例，用于三相四线制系统。当开关滤波单元2中含交流斩波器时，单元1被省略。其单元4输出的三相参考信号应从三相电源取样，与之同步。中线与单元2、单元3的中性点连接。工作原理与图3、图4中对应单元一致；仅比三相三线制系统多一个功率器件。

图14为本发明根据图3、图4的另类实施例。单元2为逆变滤波器。当信号单元4输出三相幅频可调信号时，在负载上得到三相幅频可调电压，用于高性能变频电源或电机调速，能在0.1Hz左右超低频运行时获得优于同等控制决策条件下的其它变频器系统的性能，含转矩、转速脉动，THD，抗负载参数变化鲁棒性等。

Claims

1、一种串联N个源极输出器的三相N线制开关线性复合功率变换装置，其特征是：由三相开关滤波单元(2)向三相线性单元(3)供电，单元(2)的前级单元(1)为AC/DC整流器，当开关滤波单元(2)中含交流斩波器时，单元(1)被省略；在三相三线制系统中，仅用三个功率器件构成线性单元(3)，其中每相中的一个功率器件与另一相中的一个功率器件构成“源极或射极输出器对管”，采用线电压纹波供电方式；在三相四线制系统中，用四个功率器件构成线性单元(3)，其中一个器件是三相共用的，反串在Y接型负载的中性点和中线之间，采用相电压纹波供电方式，当单元(2)输出的三相纹波供电电压和负载上电压都按比例跟踪单元(4)输出的同一个三相参考信号时，就在三相负载(7)上得到与该信号同频、同相、同形状，幅值成比例的功率级电压，其比例关系由电压放大单元(5)和取样单元(6)决定。

2、根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于：单元(6)输出的小信号作用于开关滤波单元(2)内部的控制器，施控于单元(2)中各开关功率器件的门极；电压放大单元(5)输出的三相电压信号接于线性单元(3)中“源极或射极输出器”线性功率器件的门极。

3、根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于：串联四个源极输出器的三相四线制开关线性复合功率变换装置的线性单元(3)由子单元(3-1)和子单元(3-2)合成，其中子单元(3-1)由三个MOSFET或类似的压控器件构成正向源极或射极输出器；子单元(3-2)就是一个三相共用的线性MOSFET或类似的压控器件—负向“源极或射极输出器”；电压放大单元(5)输出的三相和零线电压信号，分别接于线性单元(3)中四个“源极或射极输出器”线性功率器件的门极g₁、g₂、g₃、g₄。

4、根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于：任意一种三相开关滤波电路构成单元(2)后，与“权利要求1或2或3”中所述的特征电路组合派生的系统。