CN202076948U

CN202076948U - 改进的开关电路和改进的功率变换系统

Info

Publication number: CN202076948U
Application number: CN2010201799697U
Authority: CN
Inventors: 纳维德·R·扎加里; 程仲元; 安杰洛·R·博尔托卢斯
Original assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2020-04-15
Also published as: EP2254223B1; US7965526B2; US20100265740A1; EP2254223A1

Abstract

本实用新型提供了一种改进的开关电路和改进的功率变换系统。该开关电路包括切换装置、开关驱动器、缓冲器电路和电源电路；该电源电路与缓冲器电路形成与切换装置并联的串联电路，电源电路包括具有被与缓冲器耦合的整流器的第一变换器电路、被与通过整流器创建的第一DC总线耦合的电源存储装置以及具有隔离DC-DC变换器的第二变换器电路，该隔离DC-DC变换器提供隔离主DC输出来对开关驱动器进行供电。该功率变换系统包括，用于接收输入电功率的输入；用于提供输出电功率的输出；和切换系统，其包括多个开关电路，开关电路被与输入和输出耦合以根据多个开关控制信号选择性地从输入向输出提供功率。

Description

改进的开关电路和改进的功率变换系统

技术领域

本公开大致涉及电功率变换，并且更具体地涉及用于功率变换器的自供电开关驱动器系统。

背景技术

功率变换系统在各种应用中被用来将电功率从一种形式和/或电平，无论是交流(AC)还是直流(DC)，变换成另一种形式和/或电平(AC或DC)，诸如高功率电机驱动中使用的设有AC输入功率的脉宽调制(PWM)电流源整流器被选择性地切换为创建DC输出总线电压，根据该DC输出总线电压来驱动负载。功率变换器可包含用于不同类型变换应用的多个级，诸如用于电机的AC/DC/AC驱动，其中，首先将给定频率和电压的输入AC功率变换成DC总线功率，在第二级中选择性地切换DC总线功率以创建各种电压和/或频率的单相或多相AC输出功率。这种类型的变换器尤其适用于在需要可变速度控制的工业应用中以变化的电机负载条件驱动电机。在一个或更多个变换器级中对输入和输出功率进行受控切换时，功率开关经历了高压和高电流，其中，基于半导体的切换通常用于以相对高的频率切换功率。切换装置的控制端子和门极需要门极驱动器电路来生成切换信号，这些切换信号在功率变换应用中启动用于受控操作的功率开关。在高压功率变换应用中，需要借助与系统接地隔离的功率来操作门极驱动器电路，因为输入和输出电压可能是几千伏或更高。传统的功率变换器通常采用单独的隔离DC功率源来对门极驱动器电路供电。然而，这些驱动器功率源和隔离变压器占据了宝贵的空间，显著增加了功率变换系统的成本，尤其针对门极换流晶闸管(GCT)或集成门极换流晶闸管(IGCT)开关操作的中高电压系统更是如此。因此，需要一种改进的功率变换系统和门极驱动器电源，从而能够以较低成本提供隔离门极驱动器功率，而不用添加大型外部电源。

实用新型内容

下面将概述本公开的各个细节以便于基本的理解，但是这样的概述并不是对本公开的全面概括，并且既不旨在认定本公开的某些元素，也不旨在描绘其范围。相反，这个概述的主要目的是在下文的更详细描述之前对本公开的一些概念以简化的方式进行陈述。通过提供一种改进的自供电电源(SPS)实现了降低功率变换系统成本和大小的目标，这种改进的自供电电源可从与功率切换装置相关联的缓冲器电路获得能量，并生成用于门极驱动器的隔离DC电压。SPS和缓冲器在切换装置端子之间形成串联电路，从而让缓冲器电路将充电电流传输到SPS中的存储装置，而开关驱动器功率源自于该存储装置。

本实用新型提供了一种开关电路，用于选择性地控制功率变换器的第一和第二电路节点间的电流传导，该开关电路包括：具有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置，或者具有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且切换装置具有用于每个切换装置的控制端子，控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作切换装置，用于控制第一和第二电路节点间的电流传导；开关驱动器，其具有被与切换装置的控制端子耦合的输出端子和用于接收功率的至少一个功率端子，开关驱动器用于使用来自至少一个功率端子的功率来根据所接收的开关控制信号提供切换信号；缓冲器电路，其具有缓冲器存储装置以及被与切换装置的正极和负极节点耦合的第一和第二缓冲器端子；和电源电路，其在正极和负极节点之间与缓冲器电路形成串联电路，该串联电路与切换装置并联。电源电路包括：第一变换器电路，其设有被耦合到缓冲器电路的全桥整流器以及被与通过整流器创建的第一DC总线耦合的电源存储装置；和第二变换器电路，其设有隔离DC-DC变换器，隔离DC-DC变换器接收第一DC总线并提供隔离的主DC输出，以向开关驱动器提供电功率用于操作开关驱动器。第一变换器电路可包括：第一变换器切换装置，与全桥整流器耦合；二极管，耦合在第一变换器切换装置和电源存储装置之间；和第一变换器控制电路，用于控制第一变换器切换装置以调节第一DC总线。第二变换器电路的隔离DC-DC变换器可提供辅助DC输出，并且第一变换器控制电路可通过辅助DC输出被供电。开关电路可进一步包括诊断电路，诊断电路在操作上被与第一变换器电路耦合以监视第一DC总线，并且在操作上被与第二变换器电路耦合以监视主DC输出。诊断电路可通过辅助DC输出被供电。第一变换器电路可包括被与全桥整流器耦合的分流器以感测缓冲器电流，并且诊断电路可在操作上被与分流器耦合以监视缓冲器电流。诊断电路可包括光学输出，光学输出提供通过诊断电路检测出的至少一个故障情形的编码视觉指示。诊断电路可包括诊断控制输出，诊断控制输出提供指示通过诊断电路检测出的至少一个故障情形的信号。

本实用新型还提供了一种开关电路，用于选择性控制功率变换器的第一和第二电路节点间的电流传导，该开关电路包括：具有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置，或者设有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且切换装置具有控制端子，控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作切换装置，用于控制第一和第二电路节点间的电流传导；开关驱动器，其具有被与切换装置的控制端子耦合的输出端子和用于接收功率的至少一个功率端子，开关驱动器用于使用来自至少一个功率端子的功率来根据所接收的开关控制信号提供切换信号；缓冲器电路，其具有缓冲器存储装置以及第一和第二缓冲器端子，其中缓冲器端子中的一个被与切换装置的正极节点耦合；和电源电路，其与缓冲器电路形成串联电路，该串联电路与切换装置并联。电源电路包括：第一变换器电路，其设有被耦合到缓冲器电路的整流器以及被与通过整流器创建的第一DC总线耦合的电源存储装置；第二变换器电路，其设有隔离DC-DC变换器，隔离DC-DC变换器接收第一DC总线并提供隔离的主DC输出，以向开关驱动器提供电功率用于操作开关驱动器；和诊断电路，其在操作上被与第一和第二变换器电路中的至少一个变换器电路耦合，以监视开关电路的至少一种情形。

本实用新型进一步提供了一种功率变换系统，包括：用于接收输入电功率的输入；用于提供输出电功率的输出；和切换系统，其包括多个开关电路，开关电路被与输入和输出耦合以根据多个开关控制信号选择性地从输入向输出提供功率。各开关电路包括：具有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置，或者设有被分别与第一和第二电路节点连接的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且切换装置具有控制端子，控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作切换装置，用于控制第一和第二电路节点间的电流传导；开关驱动器，其具有被与切换装置的控制端子耦合的输出端子和用于接收功率的至少一个功率端子，开关驱动器用于使用来自至少一个功率端子的功率来根据所接收的开关控制信号提供切换信号；缓冲器电路，其具有缓冲器存储装置以及第一和第二缓冲器端子，缓冲器端子中的一个被与切换装置的正极节点耦合；和电源电路，其与缓冲器电路形成串联电路，该串联电路与切换装置并联。电源电路包括：第一变换器电路，其设有被耦合到缓冲器电路的全桥整流器以及被与通过整流器创建的第一DC总线耦合的电源存储装置；和第二变换器电路，其设有隔离DC-DC变换器，隔离DC-DC变换器接收第一DC总线并提供隔离的主DC输出，以向开关驱动器提供电功率用于操作开关驱动器。

根据本公开的一个或更多个方面，功率变换系统和其开关电路用于进行受控的电功率变换，其中，开关电路包括切换装置、开关驱动器、缓冲器电路和电源电路，该电源电路与缓冲器电路形成与切换装置并联的串联电路。电源电路包括具有被与缓冲器耦合的整流器的第一变换器电路、被与通过整流器创建的第一DC总线耦合的电源存储装置以及具有隔离DC-DC变换器的第二变换器电路，该隔离DC-DC变换器提供隔离主DC输出来对开关驱动器进行供电。在一些实施例中，第一变换器电路中的整流器是全桥整流器。在一些实施例中，第一变换器电路包含被与整流器耦合的第一变换器切换装置、被耦合在变换器切换装置和电源储存装置之间的二极管，以及用于控制变换器切换装置以调节第一DC总线的第一变换器控制电路。在一些实施例中，隔离DC-DC变换器提供对第一变换器控制电路供电的辅助DC输出。

根据本公开的其他方面，开关电路包含在操作上被与变换器电路中的一个或者两个耦合的诊断电路，该诊断电路监视开关电路的至少一种情形，诸如第一DC总线、主DC总线、缓冲器电流等的状态。一些实施例中的辅助DC输出对诊断电路供电。第一变换器电路可包含被与整流器耦合以感测缓冲器电流的分流器，并且诊断电路在操作上被与分流器耦合以监视缓冲器电流。诊断电路可包含光学输出，该光学输出提供所检测出的故障情形的编码视觉指示，也可含诊断控制输出，该诊断控制输出提供指示通过诊断电路检测出的至少一个故障情形的信号，诸如供变换器控制系统使用，从而在怀疑缓冲器发生故障时便于快速关闭。

附图说明

下文描述和附图详细陈述了一些说明性的实施方式，这些实施方式指示了一些可执行本公开的各个原理的例示性方式。然而，所说明的实例并不能穷尽本公开的许多可能实施例。下文将结合附图在本公开的具体实施方式部分描述本公开的其他目标、优点和新颖特征，在附图中：

图1是描述根据本公开的包括开关电路的例示性功率变换系统的示意图；

图2是进一步描述图1的系统中的例示性开关电路的细节的示意图，其中双级电源电路使用源自缓冲器的功率对开关驱动器电路供电；

图3是进一步描述图1和图2的电源电路的第一级中的撬杆(crowbar)开关控制电路的细节的示意图；

图4是描述图1和图2的双级电源电路的例示性存储DC和主DC电压波形的曲线图；

图5是描述图1和图2的双级电源电路中例示性诊断电路的进一步的细节的示意图；和

图6是描述图1和图2的电源电路的第二级中例示性隔离DC-DC变换器的示意图。

具体实施方式

参照附图，下文将结合附图对一些实施例或实施方式进行描述，其中，在各处中相同的参考标记指代相同的元素，并且其中各个特征并不一定是按比例绘制的。图1描述了一个例示性功率变换系统或功率变换器102，它具有多个自供电开关电路110，用于将输入电功率受控地变换成输出电功率。所说明的功率变换器102是脉宽调制(PWM)电流源整流器(CSR)，它可在用于电机的高功率驱动中适用，下文还将说明和描述本公开的各种特征。然而，本公开有利地用于任何类型的单级或多级切换的功率变换系统中，其中本公开并不限于特定说明的实例。系统102在相位端子处通过可选的源电感器L_SA、L_SB和L_SC从三相源104接收输入电功率，其中，通过源104提供的电压和电流可以是任何值。变换器102还包含可选的输入滤波电容器C_F。变换器102包括6个对称的开关电路110，在图1中分别标记为S_A1、S_B1、S_C1和S_A2、S_B2、S_C2，这些开关电路110可用于根据通过切换控制系统120提供的开关控制信号122，将AC输出相位线路A、B和C与两个DC总线输出线路P和N中的一个选择性地耦合。在控制下提供信号122将导致开关电路110在输出106的端子P和N处创建DC输出电压，用于驱动在图1中表示为与电感L_D串联的电阻R_D的负载。单个开关电路110包含切换装置112、开关驱动器114、缓冲器电路116和电源电路(例如自供电电源或SPS)118，并且被配置为缓冲器116和电源电路118在开关112两端上形成串联路径。

开关电路110提供用于被与诸如输入104的线路A、B和C或变换器输出106的线路P、N(图1)的第一和第二电路节点耦合的端子，其中切换装置112被连接在这些电路节点之间以选择性地耦合或分离这些节点。根据系统电压、装置额定电压和功率损耗要求，可以按图1中6个位置中的每个位置所示，将多个开关电路110串联使用，从而共享电压并降低每个开关电路上的功率损耗。开关电路110也具有用于从切换控制系统120接收开关控制信号122的控制端子。开关112可以是可用于根据切换信号选择性地允许或抑制电流传导的任何形式的电功率开关，诸如可控硅整流器(SCR)、GCT、IGCT、门极可关断晶闸管(GTO)、对称门极换流晶闸管(SGCT)等。开关112包括被与电路节点耦合的第一和第二开关端子以及被耦合到开关驱动器114的输出端子的第一门极或控制端子。控制端子从驱动器114接收切换信号用于进行受控操作，以将开关112设置在传导状态或非传导状态，从而控制电路节点之间的电流传导。开关驱动器114具有被与开关控制端子耦合的输出端子，在开关控制端子处根据所接收的开关控制信号122提供切换信号，驱动器114还包含至少一个功率端子，在所述功率端子处从电源电路118接收功率，在图1中表示为开关驱动器电压V_SD。因此，与传统功率变换器不同，系统102不需要单独的供电总线或系统来对开关电路110的门极驱动器114供电，因为这些门极驱动器是通过SPS 118的操作自供电的，如下文进一步描述的。在Zargari等人申请并转让给本公开的受让人的第7,511,976号美国专利(2009年3月31日授权)中公开了自供电电源的进一步描述，该专利的全文以引用的方式并入本文中。

在操作中，切换控制系统120根据脉宽调制机制，在考虑了所希望的或设定的输出电压或电流以及电流输出情况的前提下，提供开关控制信号，其中，切换控制系统120优选地接收一个或更多个反馈信号(未图示)并得出适当的切换脉宽或其他切换模式，并且开关控制信号通常是在任何给定时间处以两个不同电平中的一个电平设置的脉冲波形，其中脉宽和定时被设置成将变换器输出106引导到所希望的或设定的状态。开关驱动器114接收控制信号122并相应地提供切换信号，从而使用功率端子处提供的电压V_SD来控制切换装置112的操作。开关驱动器114和切换装置112在一些实施例中是集成的。例如，切换装置112可以是GCT，这种GCT的门极控制端子从开关驱动器114接收切换信号，其中，开关驱动器114和开关112形成IGCT。

再参照图2，缓冲器电路116包括至少一个缓冲器存储装置，诸如一个电容C_S或更多个电容等，并且包含第一和第二缓冲器端子。一个缓冲器端子被与开关112的正极节点耦合，另一个缓冲器端子被与电路节点耦合，SPS 118和缓冲器116借此在电路节点之间形成被与开关端子并联连接的串联电路。在这种构造中，缓冲器116吸收切换能量以保护开关112，并向电源电路118提供至少一部分上述缓冲器能量，以对驱动器114供电并实施本文所述的诊断功能。

例示性电源电路118包含第一变换器电路130(图2中的变换器1)以及第二变换器电路140(图2中的变换器2)，第一变换器电路130从缓冲器电路116提取能量并将所提取的能量存储在存储电容器135中，第二变换器电路140将电容器135上的存储DC电压变换为主DC输出144，以对开关驱动器114供电。例示性第一变换器电路130包含被耦合到缓冲器电路116的全桥整流器131，全桥整流器131创建电源储存装置135两端上的第一DC总线138。另外，第一变换器电路130包含第一变换器切换装置132(例如SCR、IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或其他主动型半导体开关)，第一变换器切换装置132形成整流器131的输出端子两端上的撬杆电路，并可用于根据来自变换器(撬杆)控制电路133的信号以通过选择性地分流经整流的缓冲器电流来调节第一DC总线，第一变换器电路130还包括被耦合在撬杆开关132和存储电容器135之间的二极管134。这样，第一变换器电路130使用从缓冲器116提取的能量整流并调节第一DC总线138(存储DC)，并将总线作为输入提供到第二变换器电路140。无论缓冲器电流的极性如何，第一变换器电路130工作以从缓冲器116提取能量，其中，当开关112的端子上的电压为正时并且开关电压为负时，存储电容135从缓冲器电路116接收充电电流。下面将在图3中进一步描述例示性撬杆控制电路133的其他细节。例示性第一变换器电路130还包含被与整流器131耦合以感测缓冲器电流的并将所感测的缓冲器电流信号提供给第二变换器电路140中的诊断电路146的分流器136，还包括用于测试电路118功能的测试输出137(例如，测试连接器或接口上的引脚)。

第二变换器电路140包含隔离DC-DC变换器141，隔离DC-DC变换器141接收第一DC总线138并提供隔离主DC输出(V_SD)144以对开关驱动器114供电。下文将结合图6进一步描述例示性隔离DC-DC变换器141。在所说明的实施例中，第二变换器140生成提供给滤波器143的DC输出142，并且滤波器143的输出作为主DC输出144，其中主DC 输出被提供给诊断电路146用于进行监视。DC-DC变换器141也提供用于对撬杆控制电路133和诊断电路146供电的辅助DC输出145。诊断电路146提供一个或更多个输出信号、值或指示147，以向切换控制系统120和/或用户通知开关电路110的诊断情形，而下文将结合图5对诊断电路146进行更详细的描述。第二变换器电路140具有低和高电压保护以及短路保护，并且经由变换器141创建多个DC输出，包括用于开关驱动器114的主DC输出144、分别用于撬杆控制和诊断电路133和146的辅助DC输出145。另外，例示性变换器电路140提供可调节的启动电压，并且当测试线缆被连接到测试输出148时自动将变换器102带入测试模式。

在图2的开关电路110的操作过程中，电路110被耦合在变换器电路节点A(图1中的AC输出线路A)和P(系统102中的DC输出端子P)之间，而SPS电源电路118将从缓冲器电路116传输的能量变换为经调节的开关驱动器DC电压V_SD(在一个实例中为约20V)，用于驱动GCT型门极驱动器114借助大约1-35kV的操作电压在中压变换器102中操作GCT装置112，其中，DC-DC变换器141在缓冲器电路116和GCT门极驱动器114间提供约几百伏的电绝缘。这时，开关驱动器114变换并使用缓冲器能量，以生成正门极电压来开启GCT开关112(传导状态)或生成负门极电压来关闭开关112(非传导状态)。也可以在电路节点A和P之间使用串联的开关电路110，从而增加电压容量并减少切换功率损耗。

现参照图3和4，图3描述了例示性撬杆开关控制电路133的进一步的细节，控制电路133是利用来自辅助DC 145的功率来操作的。电路133提供用于结合隔离DC-DC变换器141的测试输出148来测试电路118的测试输出137(例如测试连接器或接口上的引脚)。在操作中，控制电路133判断存储DC 138是否高于预设值，若高于的话，则开启撬杆开关132。另外，例示性控制电路133采用滞后或类似控制技术限制撬杆开关132的切换频率，并控制存储DC轨138上的DC波动。分流器调节器或齐纳U1.1和串联调节器U1.2调节辅助DC电压145的电压，以在一个实例中创建出7.5V的DC功率电源和2.5V的DC基准电压。存储DC轨138的电压由运算放大器U1.3缓冲，并提供给运算放大器U1.4的同相输入。U1.4又将该输入与2.5V的基准电压进行比较，并生成用于晶体管/MOSFET/IGBT T1.1的选通信号，所述信号用来控制撬杆开关132的门极，使得当T1.1开启时，撬杆开关132分流缓冲器电流，而晶体管T1.1被连接到辅助DC轨145以防止发生撬杆开关132的门极电流引发的对7.5V的DC的干扰。结合所说明的实施例中的电压值7.5V和2.5V来选择电阻R1.4、R1.5、R1.7和R1.8的值以控制滞后带，进而控制存储电容器135上的DC波动和撬杆开关132的切换频率。再参照图4中的曲线图200，可经由电路133将存储DC总线138的电压和它的波动电流控制到上限(V_upper)和下限(V_lower)之间可接受的水平。另外，图6中所示的控制电路Con2.1将另一滞后带控制在起始电压V_start和停止电压V_stop之间，具有起始电压V_start的未滤波的主DC输出142是有效的(高的)，而具有停止电压V_stop的主DC输出142无法继续被维持。此外，将测试线缆连接到电阻R1.5两端上的测试引脚137以使撬杆开关132设为禁用。

图5进一步说明了第二变换器电路140中的例示性诊断电路146。诊断电路146(经由来自图2中分流器136的信号)监视缓冲器电流、存储DC轨电压138和经滤波的主DC总线电压144。如图5中所示，经由低通滤波器160将来自分流器136的被感测的缓冲器电流信号提供作为监视逻辑电路162的感测输入Sen₁。滤波器160后的均方根缓冲器电流由下式(1)给定：

(1) I_{0} = \frac{k_{1} k_{2}}{n} V_{l - 1} ω C_{sn}

其中，k₁是缓冲器电路观察到的变换器电压增益(例如，对于三相电流源变换器102小于0.7)，k₂是电流传感器Sen1的增益，V_l-l是输入104(图1)的线间电压，n是串联的GCT的数目，ω是输入功率频率，C_sn是缓冲器电容。就此而言，在灾难性故障之前，缓冲器电路116最经常由于电容增加而发生故障，从而导致均方根缓冲器电流增大到上限值，并当超过上限值而警告较高级控制器和/或用户时，向编码器逻辑170生成错误信号。在一个实施方式中，缓冲器错误生成由编码器170提供给发光二极管(LED)驱动器180的编码错误信号，LED驱动器180点亮LED 182以生成指示缓冲器错误的光学图案，电路170也向接口190(例如光纤或其他有线或无线接口)提供信号或值147，这个信号或值可以用来向变换器102的切换控制系统120发射信号以诊断性地关闭系统102，以防止损坏开关112或其他系统部件。

诊断电路146也通过监视逻辑164监视存储DC电压138，监视逻辑164可以提供对上边界与下边界的比较以设定正常操作范围。下边界向切换控制系统120提供电源电路118即将用完电的通知，并可实施适当的受控关闭或其他提前控制以减轻或避免变换器突然发生故障，包括防止GCT故障。在一个实施方式中，关于DC轨错误的下边界可被设定在上图4中的V_stop和V_lower之间。上限值可设定为对于被连接到存储轨138的组件(诸如开关电路110中的电容器)而言是安全的值。通过监视逻辑166监视主DC输出142，其中可以在根据开关控制器114的供电能力的范围内设定上下边界。对错误信号进行编码，并将这些错误信号作为信号和/或值发送到驱动器180和/或接口190。在一个实施例中，使用光纤和/或电接口链接以将信号/值发送到GCT门极板，从而将错误中继到控制器120，或者可将错误信号/值经由光纤链接190直接发送到控制器120。在一个可能的实施例中，光学信号发射提供了指示一种或更多种情形的不同的脉冲模式，这些情形包含(但不限于)存储DC过电压、存储DC欠电压、主DC输出高、主DC输出低和缓冲器电路异常。

图6进一步描述了第二变换器电路140中的例示性隔离DC-DC变换器141的细节，变换器141将来自存储总线138的DC功率变换成用于对开关驱动器114供电的经调节的主DC输出144。例示性电路141是具有多绕组变压器T2.1的逆向变换器，其中第一绕组1被连接到与存储DC总线并受半导体开关Sw2.1控制。开关Sw2.1的门极通过控制电路Con2.1驱动，控制电路Con2.1基于来自主DC输出144的反馈Con2.2来控制Sw2.1的占空比。对Con2.2应用滞后控制以使得Con2.2在电压V_start下开始主输出144并且在较低电压V_stop下停止主输出144。也可在Con2.1中实施其他功能，例如过电压/欠电压保护、热保护和切换频率控制。开关Sw2.1和Con2.1也可用设有内置控制电路的功率开关取代。主DC输出电路包括图6中所示的绕组2至4以及二极管D2.3、电感L2.1和电容C2.4。根据功率需求，绕组2至4可以是单个绕组或者任何其他数目的并联绕组。绕组5向反馈电路Con2.2提供功率，绕组6向辅助DC轨145提供功率。其他实施例也是可能的，其中，变换器141可以是其他形式的具有隔离变压器的降压DC/DC变换器。可以通过隔离光耦链接100获得从Con2.2向控制Con2.1提供的反馈。这个隔离链接100在缓冲器网络116与开关驱动器114之间提供几百伏的电隔离。

开关电路110可包含测试端口，例如一个或更多个电连接器或电路引脚，电连接器或电路引脚通过测试端口和AC电源之间的测试线缆的简单连接来提供测试途径，其中，可将单根测试线缆设定成连接到给定变换器102的所有开关电路110，用于同时对所有开关电路110进行测试。在一个实施例中，当测试线缆被连接到测试端口时，不在切换装置和散热片上施加危险电压，并且电路110自动进入测试模式。在测试模式下，电路110可在大范围电压下工作，例如，在50到60Hz下从85V到265V，测试线缆优选地包含用于电源电路118的菊花链形式的多个测试连接器、一个用于市电插座的标准阳型连接器和一个用于连接额外测试线缆的标准阴型连接器。在例示性实施例中，电源电路118可安装在切换装置112的负极侧散热片上，也可以机械方式安装到GCT上而形成一个集成组件。此外，电源电路118可以电方式集成到GCT门极板(驱动器114)上。

上述示例仅说明了本公开的各方面的若干可能的实施例，其中，本领域技术人员阅读并理解本说明书和附图后将会想到等同的变化和/或修改。尤其针对上述部件(组件、装置、系统、电路等)执行的各种功能而言，用来描述这些部件的术语(包含对“方式”的引用)旨在对应于(除非另外指出)执行所描述的部件的特定功能的(即功能上等同的)诸如硬件、软件或其组合的任何部件，即便这些部件在结构上不等同于在本公开所说明的实施方式中执行该功能的所公开的结构。另外，虽然仅针对若干实施方式中的一个实施方式说明和/或描述了本公开的具体特征，但是如对于任何给定的或具体的应用会被需要并且有利的，可以将该特征与其他实施方式的一个或更多个其他特征进行组合。而且，就详细描述和/或权利要求中使用的术语“包含(including/includes)”、“具有(having/has)”以及“设有(with)”或其变体而言，这些术语以类似于术语“包括(comprising)”的方式表达了开放式的含义。

Claims

1.一种开关电路(110)，用于选择性地控制功率变换器(102)的第一和第二电路节点间的电流传导，所述开关电路(110)包括：

具有被分别与所述第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置(112)，或者具有被分别与所述第一和第二电路节点耦合的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且所述切换装置具有用于每个切换装置的控制端子，所述控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作所述切换装置(112)，用于控制所述第一和第二电路节点间的电流传导；

开关驱动器(114)，所述开关驱动器具有被与所述切换装置(112)的所述控制端子耦合的输出端子和用于接收功率的至少一个功率端子，所述开关驱动器(114)用于使用来自所述至少一个功率端子的功率来根据所接收的开关控制信号(122)提供所述切换信号；

缓冲器电路(116)，所述缓冲器电路具有缓冲器存储装置(C_S)以及被与所述切换装置的正极和负极节点耦合的第一和第二缓冲器端子；和

电源电路(118)，所述电源电路在所述正极和负极节点之间与所述缓冲器电路(116)形成串联电路，所述串联电路与所述切换装置(112)并联，所述电源电路(118)包括：

第一变换器电路(130)，所述第一变换器电路设有被耦合到所述缓冲器电路(116)的全桥整流器(131)以及被与通过所述整流器(131)创建的第一直流DC总线(138)耦合的电源存储装置(135)；和

第二变换器电路(140)，所述第二变换器电路设有隔离直流至直流DC-DC变换器(141)，所述隔离DC-DC变换器接收所述第一DC总线(138)并提供隔离的主直流DC输出(144)，以向所述开关驱动器(114)提供电功率用于操作所述开关驱动器(114)。

2.根据权利要求1所述的开关电路(110)，其中所述第一变换器电路(130)包括：

第一变换器切换装置(132)，所述第一变换器切换装置被与所述全桥整流器(131)耦合；

二极管(134)，所述二极管被耦合在所述第一变换器切换装置(132)和所述电源存储装置(135)之间；和

第一变换器控制电路(133)，所述第一变换器控制电路用于控制所述第一变换器切换装置(132)以调节所述第一DC总线。

3.根据权利要求2所述的开关电路(110)，其中所述第二变换器电路(140)的所述隔离DC-DC变换器(141)提供辅助直流DC输出(145)，并且其中所述第一变换器控制电路(133)通过所述辅助DC输出(145)被供电。

4.根据权利要求1所述的开关电路(110)，进一步包括：诊断电路(146)，所述诊断电路在操作上被与所述第一变换器电路(130)耦合以监视所述第一DC总线，并且在操作上被与所述第二变换器电路(140)耦合以监视所述主DC输出。

5.根据权利要求4所述的开关电路(110)，其中所述第二变换器电路(140)的所述隔离DC-DC变换器(141)提供辅助直流DC输出(145)，并且其中所述诊断电路(146)通过所述辅助DC输出(145)被供电。

6.根据权利要求4所述的开关电路(110)，其中所述第一变换器电路(130)包括被与所述全桥整流器(131)耦合的分流器(136)以感测缓冲器电流，并且其中所述诊断电路(146)在操作上被与分流器(136)耦合以监视所述缓冲器电流。

7.根据权利要求4所述的开关电路(110)，其中所述诊断电路(146)包括光学输出(180、182)，所述光学输出提供通过所述诊断电路(146)检测出的至少一个故障情形的编码视觉指示。

8.根据权利要求4所述的开关电路(110)，其中所述诊断电路(146)包括诊断控制输出(190)，所述诊断控制输出提供指示通过所述诊断电路(146)检测出的至少一个故障情形的信号。

9.一种开关电路(110)，用于选择性控制功率变换器(102)的第一和第二电路节点间的电流传导，所述开关电路(110)包括：

具有被分别与所述第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置(112)，或者设有被分别与所述第一和第二电路节点耦合的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且所述切换装置具有控制端子，所述控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作切换装置(112)，用于控制第一和第二电路节点间的电流传导；

缓冲器电路(116)，所述缓冲器电路具有缓冲器存储装置(C_S)以及第一和第二缓冲器端子，其中所述缓冲器端子中的一个被与所述切换装置的正极节点耦合；和

电源电路(118)，所述电源电路与所述缓冲器电路(116)形成串联电路，所述串联电路与所述切换装置(112)并联，所述电源电路(118)包括：

第一变换器电路(130)，所述第一变换器电路设有被耦合到所述缓冲器电路(116)的整流器(131)以及被与通过所述整流器(131)创建的第一直流DC总线(138)耦合的电源存储装置(135)；

第二变换器电路(140)，所述第二变换器电路设有隔离直流至直流DC-DC变换器(141)，所述隔离DC-DC变换器接收所述第一DC总线(138)并提供隔离的主直流DC输出(144)，以向所述开关驱动器(114)提供电功率用于操作所述开关驱动器(114)；和

诊断电路(146)，所述诊断电路在操作上被与所述第一和第二变换器电路(130、140)中的至少一个变换器电路耦合，以监视所述开关电路(110)的至少一种情形。

10.一种功率变换系统(102)，包括：

用于接收输入电功率的输入(104)；

用于提供输出电功率的输出(106)；

切换系统，所述切换系统包括多个开关电路(110)，所述开关电路被与所述输入(104)和所述输出(106)耦合以根据多个开关控制信号(122)选择性地从所述输入(104)向所述输出(106)提供功率，所述各开关电路(110)包括：

具有被分别与所述第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置(112)，或者设有被分别与所述第一和第二电路节点连接的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且所述切换装置具有控制端子，所述控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作所述切换装置(112)，用于控制第一和第二电路节点间的电流传导；

缓冲器电路(116)，所述缓冲器电路具有缓冲器存储装置(C_S)以及第一和第二缓冲器端子，所述缓冲器端子中的一个被与所述切换装置的正极节点耦合；和