CN203674997U - 一种整流器电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种整流器电路，所述整流器电路包括：交流输入；至少一个耦合到所述交流输入的晶体闸流管，所述晶体闸流管用以驱动直流母线；及控制器，所述控制器用于从所述直流母线获取第一电流、获取所述直流母线的最大电流需求以及基于获取的所述最大电流和所述第一电流向所述至少一个晶体闸流管提供触发信号。

Description

一种整流器电路
技术领域
本实用新型涉及一种充电速率控制器，且尤其适用于整流器充电速率控制器，特别是在母线电压充电的软启动过程中。本实用新型尤涉及一种整流器电路。
背景技术
整流器通常用于把交流电源转换为直流电源。在这种应用中，整流器部件通常包括晶体闸流管，可用于在初始直流电压上升阶段通过调整直流输出电压来实现整流器电路的软启动。一般情况下，晶体闸流管将被如图1a所示的触发角触发。可以看出，晶体闸流管的触发角随着时间线性增长。换句话说，在直流母线电压完全充满之前，从输入电压相的每个过零点开始，触发角以恒定的增量增加。因此，本领域技术人员应该明白直流母线电压（通过直流输出电容的电压）呈S曲线上升趋势（如图1b所示）。相应地，直流母线电流上升到峰值，然后跌落，如图1c所示。
因此，所述的直流电源中的各类支撑组件必须根据大电流峰值选取。这意味着，熔断器的额定值必须高于高峰值电流，这样就要求使用更多高成本组件。这样会导致输入熔断器的额定值为直流电源额定输出电流的3倍。另外，由于在直流母线充电过程中出现更多的极端电流条件，总体上直流电源会受到更高水平的应力。
因此希望能够提供一种控制直流母线软启动方案，能够在直流母线充电过程中降低峰值电流，从而也可选用额定值低的熔断器和其它器件。
实用新型内容
本实用新型提供了一种整流器电路，所述整流器电路包括交流输入、至少一个耦合到所述交流输入的晶体闸流管及控制器；所述晶体闸流管用以驱动直流母线；所述控制器用于从所述直流母线获取第一电流，获取所述直流母线需求的最大电流，以及基于获取的所述最大电流和所述第一电流向所述至少一个晶体闸流管提供触发信号。
上述触发信号包含与所述交流输入的电压相位有关的触发角。
上述整流器电路包含多个耦合到所述交流输入的、用于驱动所述直流母线的晶体闸流管，其中所述控制器用于向每个所述晶体闸流管提供触发信号，可选地，所述交流输入包含三相输入且每个所述晶体闸流管耦合到所述交流输入的一相输入。
上述获取第一电流包含测量分流电阻两端的电压。
上述获取直流母线需求的最大电流包含从与所述控制器相关联的存储器中读取预先设定的值。
上述获取直流母线需求的最大电流包含从外部信号中获取数值。
上述提供触发信号包括从与所述控制器相关联的存储器中读取触发角的预设值。
上述提供触发信号包括计算触发角的值。
上述触发信号使所述直流母线电压线性上升以提供恒定的直流母线电流。
上述整流器电路进一步包括可禁用每个所述晶体闸流管的过流检测电路，其中所述过流检测电路包含比较器，用于将所述直流母线的第一电流与预先设定的过流保护值进行比较，且用于当所述第一电流超出所述预先设定的过流保护值时，禁止向每个所述晶体闸流管提供触发信号。
可选地，上述整流器采用半控桥式拓扑结构。
可选地，上述整流器采用全控桥式拓扑结构。
可选地，上述控制器包含处理器和相应内存。
综上所述，本实用新型提供的整流器电路及控制直流母线软启动的方案能够在直流母线充电过程中降低峰值电流。
附图说明
通过以下对附图的描述，本实用新型实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，其中：
图1a、图1b、图1c给出了现有技术中整流器系统的信号波形；
图2a、图2b、图2c给出了根据本实用新型实施例之一提供的整流器系统的信号波形；
图3给出了根据本实用新型实施例之一提供的三相半控桥式整流器；
图4给出了根据本实用新型实施例之一提供的单相半控桥式整流器；
图5给出了根据本实用新型实施例之一提供的电压测量电路；
图6给出了根据本实用新型实施例之一提供的分流器电压电路；和
图7给出了根据本实用新型实施例之一提供的控制器的流程图。
在上述图形中，相同的元件由相同的数字表示。
具体实施方式
概要
针对上述所述的现有技术的系统中存在的缺点，本实用新型旨在期望提供一种可降低直流母线在充电过程中的电流峰值的方案。这可以通过控制与交流输入的电压相位有关的晶体闸流管触发点来实现。如图2c所示，当峰值电流小于已知系统的峰值电流时，则期望能有恒定的电流曲线。这样可以使系统整体的应力较小并可降低组件的额定值。为获得恒定的电流曲线，控制直流母线电压以使其按照图2b所示线性增加。依次，可以通过向晶体闸流管提供如图2a所示的、呈S型曲线的非线性触发信号来实现充电过程中直流母线电压的线性增加。图2a、图2b和图2b中的母线进行的充电时间一般与图1a、图1b和图1c所示的已知系统中母线进行的充电时间相同。
上述调整过的触发信号可以应用在具有交流输入（包括单相和三相）的整流器中，其中交流输入可具有包括单相和三相输入的任意相位。
上述电流曲线适用于直流母线充电过程，而非正常运行过程。然而，若直流母线电流被降低到低于负载的设计运行条件，则负载被断开，且该电流曲线被重新启动以再次控制上述充电过程。
另外，可提供电流反馈以允许系统实时根据电路需求进行调节。线性电压曲线的变化率可被调节（通过调整触发信号）以满足系统在充电过程中的电流需求，例如由于不同的直流母线电容。另外，电流反馈还可以被用来检测并减轻电路故障的影响，比如短路或过电流的情况。该检测可在任意保护熔断器断开前发生，这样可进一步保护整流器组件并降低系统运行的成本。
优选实施例
下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。在各个附图中采用相同的附图标记来表示相同的部件，因此相同部件的构造将不再重复描述。
以下结合附图以及具体实施方式对本实用新型的技术方案做进一步说明。
在图3所示的实施例中，整流器30耦合到交流输入34。在本实施例中，交流输入包含三相输入34(由L1、L2、L3表示)，当然，交流输入可能具有任意数量的输入相。本领域技术人员应该明白，整流器把交流输入转换为直流输出(+Vdc 43,-Vdc 44)。所产生的直流母线电压31会施加到电容32上。该电容的电容量可以是固定的，也可以是可变的。
在本实施例中，整流器30包含三个晶体闸流管35和三个二极管36组成半控桥式整流器拓扑。也就是说，整流器的一个半桥包括可控的晶体闸流管，另外一个半桥包括不可控的二极管。控制器37用于监控交流输入34的三相以及可指示分流电阻33两端电压的信号39。分流电阻33可以位于正Vdc 43线路或负Vdc线路44上。控制器37用于向至少一个晶体闸流管输出触发信号45，优选地，向每个晶体闸流管输出一个单独的触发信号45。控制器37可独立控制每个触发信号或者把一个或多个具有相同触发角的触发信号组合进行控制。
控制器37可以由微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它任意处理器实现。
电压测量电路38用于测量分流电阻33的任意一侧某处的直流电压。优选地，分流电阻33的阻值约为1.5毫欧姆。考虑到系统中半导体器件的开关动作会产生噪音，也可以采用其它任意阻值的分流电阻以提供可靠的、能指示通过分流电阻的电压的信号。在指示分流电阻电压差的信号39被传送到控制器37之前，分流电阻的电压差被放大。通过分流电阻的使用，提供了一种快速且有效的信号（分流器电压）测量方法，从而可以很容易地获得直流母线电流值。
图5给出了并联在分流电阻33两端的电压测量电路38的其中一种电路图，本领域技术人员能够理解该电路图还可以为其他类似的电路图。图5所示的电路需要单独的5V直流电源，且在分流电阻两端的电压额定值为100mV，等同于80A的直流母线电流。图5所示电路的250A版本会采用12千欧姆的电阻，而不采用51千欧姆的电阻。为减少系统噪音对小电压测量的影响，优选地，分流电压的测量值在分流电阻附近被放大。图6显示了可选电路板60的设置，该电路板可在分流电阻的任何一侧，该电阻使用两个螺钉作为两个触点。分流电阻也可以采用其它形式的触点，比如焊点、按键、拨动键或飞线。电压测量电路38可以设置在电路板60上。为消除系统的任何偏移，可以测量“零电流”，（即在母线电容开始充电之前由于漏电流和直流母线中的寄生组件产生的电流）并在随后的计算中减去该电流。
图4显示了单相交流输入47(由L1和中性线表示)。本实施例中，采用半控桥式拓扑结构的整流器40包含两个晶体闸流管35。
根据本实施例，整流器也可采用全控桥式拓扑结构（整流器的每个元件都有一个晶体闸流管）。在采用全控桥式拓扑结构的这些实施例中，根据晶体闸流管的数量，控制器包含多个触发信号输出。采用全控桥式拓扑中的晶体闸流管替换半控桥式拓扑所采用的二极管，使得直流母线电容的电流可以流向交流电源。当直流母线上的负载为可再生负载且将电流转移至直流母线电容上时，可能需要上述情况的发生，例如制动负载，其中直流母线通过逆变器进行变换。然而，在直流母线充电过程中，由于取代半控桥式拓扑中二极管的晶体闸流管具有恒定超前相位的触发角，从而晶体闸流管的运行情况和半控桥式拓扑中二极管的运行情况相同。
当交流输入34、40具有交流波形时，交流输入由如图3和图4所示的控制器监控。控制器提供触发信号45，触发信号的相角（触发角）与输入到对应晶体闸流管的交流输入的电压相位有关。如图2a所示，触发信号的相位呈S形曲线。该曲线为预先设定的以使直流母线电压线性增加。通过从与控制器37相关联的存储器48中存储的查询表获取的数值来提供每个触发角。通过顺序逐个读取查询表，可获得期望的S形触发角曲线。可选地，每个触发角也可以由控制器37实时计算以获取同样的S形曲线。为每个晶体闸流管提供的触发角使得直流母线电压31按照如图2b所示的方式线性增加。这样，可依次提供如图2c所示控制的电流曲线。该电流波形是平直的波形并具有恒定值。这样提供的电流峰值比已知系统的要低。由于峰值信号水平降低，系统组件的额定值可比已知系统的低。例如，熔断器的额定值可降低，并且系统整体在直流母线充电过程中也承受较低的应力。
在监控交流输入线并为至少一个晶体闸流管提供触发信号的同时，控制器37还可通过分流电阻33和电压测量电路38监控直流母线的电流。指示分流电阻电压的信号(39)被提供给控制器，然后控制器导出流过分流电阻的电流，从而获取流经直流母线的电流。监控直流母线电流的目的在于提供反馈，从而可实时调节晶体闸流管触发信号35以应对实时电路情况。调节触发信号35包含调节（优选地为增加）特定晶体闸流管的触发角，该触发角与输入到相应晶体闸流管的电压相位有关。触发角增加后，控制器37发出相应的触发信号35。则可从信号39（来自电压测量电路38）获取直流母线电流，这样可推导出上次触发角的增加对直流母线电流的影响。若直流母线中的电流过大(即导出的直流母线电流79大于直流母线上负载的最大电流需求46――后面将进一步解释)，则将触发角的下一次增量设置为0以减少线性电压波形的变化率（电压的变化率）。本领域技术人员应该明白，这样会减少直流母线电流从而降低直流母线电容32的充电率。
调节触发角对调节直流母线线性电压的变化率有影响，这样会将电流限制到预先设定的充电水平以使一系列的电容（如出现在整流器输出43和44上）可以连接到直流母线。电容范围可以是并联电容模块的形式或为用于飞剪应用的外部电容器组。
下面将参考图7，对控制器37进一步的运行细节进行描述。图7的流程图可以由软件实施并由处理器执行，或通过连接至计算机上的如现场可编程门阵列（FPGA）或专用集成电路（ASIC）等的可编程逻辑器件执行。如上所述，控制器37监控交流输入34和41以及指示分流电阻39两端电压的信号，在直流母线充电过程中，这些信号又被控制器37用来导出直流母线电流79。耦合到直流母线、包含整流器30、40的系统的负载的最大电流需求也被控制器37所用。最大电流需求对于包含整流器的系统可为特定的(即针对系统和其组件专门选择的)，或可随外部输入而变(如随图3和图4中的可选输入信号而变)。例如，若用户发现包含整流器的交流电源在直流母线充电过程中不能提供满足负载要求的电流水平，则可能需要将系统的最大电流需求改变至更低的数值。如图中减法器70所示，导出的直流母线电流从最大电流需求值中被减去。上述这中情况在每个晶体闸流管交流输入电压相位的每个过零点处发生一次（每周期一次）。
若减法器70的结果为负，即负载的最大电流需求46小于导出的直流母线电流。元件71将该数值调节到0。元件72和元件73通过零值，这样电压变化需求信号74也为零。由于产生零电压变化需求信号74，新的电压需求信号76相比前一电压需求信号无变化。在此情况下，再次从查询表中获取先前的预先设定的值。因此，触发角保持恒定并且晶体闸流管触发信号35也保持不变。这会造成直流母线电压波形的变化率在当前周期被减少到0。本领域技术人员应该明白，当变化率降低时，直流母线电流也降低。由于满足了负载需求，直流母线电流也会降低(导出的直流母线电流超出当前负载的最大电流需求),因此整流器提供的电流被减少以降低系统内的应力。
本领域技术人员应该明白，元件78也使触发信号和交流输入的电压相位同步。
若减法器70的结果为正，即负载的最大电流需求46大于导出的直流母线电流，则电流持续通过元件72，且正电流数值基于如整流器电路、直流母线寄生参数、直流母线电容和直流母线电感等性能被转换为直流母线电压中的需要的电压变化，以上本领域技术人员应都能理解。这将造成直流母线电压上升率的变化，直流母线电压上升取决于该需要的变化是否被元件73限制到预先设定的标准电压变化值。可以从与控制器相关联的存储器中获取该标准电压变化值。该标准电压变化值用于限制需要的电压变化需求（基于导出的直流母线电流）以防止由于过高的正数值使直流母线电流上升到过高水平而导致直流母线电压波形变化率过大。因此，若电压变化低于标准电压变化值，电压变化需求信号74是计算的数值，或若该数值被用来限制需要的电压变化，电压变换需求信号74是标准数值。
在元件75中,新电压变化需求信号74被添加到先前的电压需求信号以产生新的电压需求信号76。电流持续流过元件77，且可基于新电压需求信号76获取合适的触发角。在这种情况下，获取的触发角可产生改进后的S型曲线以通过改进直流母线电压波形变化率来产生直流母线需要的电流水平（若采用了低于标准值73的电压变化需求值）。实际上，触发角的标准S型曲线由新电压需求信号76测量。
综上可知，整流器晶体闸流管的S型触发角曲线最初是如何被用来提供线性电压变化率并因此提供恒定的直流母线电流。导出的直流母线电流用于改进随后的触发角以满足诸如直流母线充电的电容变化等电路情况。
可选地，除了基于元件77的新电压需求信号76，从包含预先设定的触发角度值的查询表中获取触发角外，还可以基于需要的触发角S型曲线实时计算触发信号35的触发角。
除了进行触发角控制外，控制器37也可以用来提供过电流保护，例如当直流母线43和44发生短路的情况下。针对每一个包含整流器30、40的系统，都预先设定过电流保护值80并存储在与控制器37相关联的存储器中。过电流保护值80可以和每个导出的直流母线电流79在比较器进行比较。若导出的直流母线电流超出过流保护水平82，则控制器会发出触发禁止信号，以禁止所有晶体闸流管的触发信号35的输出。本领域技术人员应该明白，在此种情况下，所有晶体闸流管信号被禁止，这样整流器将在下一个电压相位过零点时被切断。采用分流电阻以获取上述所述的直流母线电流时，可以与过电流保护值80进行简单有效地对比。
控制器也可能包含输出信号以表示直流母线充电周期完成并且过电流保护情况已发生。
在控制器运行过程中，控制器会把任何数值，包括计算的数值或从相关联的存储器读取的数值都存储到数据日志中，从使电路状况和变量能够供后续检查使用。这有助于开发不同的查询表或计算算法，并帮助运行有整流器的充电控制系统使其适合于具体情况。本文中使用的术语“相关联的存储器”指该存储器可以是控制器37的内部或外部的。
本实用新型中提供的直流母线充电电流控制的方案，通过基于曲线将晶体闸流管的触发角提前以提供受限制的恒定电流，从而限制充电水平以使一定范围的电容能够连接到直流母线。也可提供单独的跳闸电流水平（过电流保护水平）使整流器电路免受由于低阻抗负载和直流母线短路所造成的损坏。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种整流器电路，其特征在于，所述整流器电路包括:
交流输入；
至少一个耦合到所述交流输入的晶体闸流管，所述晶体闸流管用以驱动直流母线；及
控制器，所述控制器用于:
从所述直流母线获取第一电流；
获取所述直流母线需求的最大电流；
基于获取的所述最大电流和所述第一电流向所述至少一个晶体闸流管提供触发信号。
2.根据权利要求1所述的整流器电路，其特征在于，所述触发信号包含与所述交流输入的电压相位有关的触发角。
3.根据权利要求1或2所述的整流器电路，其特征在于，所述整流器电路包含多个耦合到所述交流输入的、用于驱动所述直流母线的晶体闸流管，其中所述控制器用于向每个所述晶体闸流管提供触发信号，所述交流输入包含三相输入且每个所述晶体闸流管耦合到所述交流输入的一相输入。
4.根据权利要求1所述的整流器电路，其特征在于，所述获取第一电流包含测量分流电阻两端的电压。
5.根据权利要求1所述的整流器电路，其特征在于，所述获取所述直流母线需求的最大电流包含从与所述控制器相关联的存储器中读取预先设定的值。
6.根据权利要求2所述的整流器电路，其特征在于，所述获取所述直流母线需求的最大电流包含从外部信号中获取数值。
7.根据权利要求2所述的整流器电路，其特征在于，所述提供触发信号包括从与所述控制器相关联的存储器中读取触发角的预设值。
8.根据权利要求2所述的整流器电路，其特征在于，所述提供触发信号包括计算触发角的值。
9.根据权利要求1所述的整流器电路，其特征在于，所述触发信号使所述直流母线电压线性上升以提供恒定的直流母线电流。
10.根据权利要求1所述的整流器电路，其特征在于，所述整流器电路进一步包括可禁用每个所述晶体闸流管的过流检测电路，其中所述过流检测电路包含比较器，用于将所述直流母线的第一电流与预先设定的过流保护值进行比较，且用于当所述第一电流超出所述预先设定的过流保护值时，禁止向每个所述晶体闸流管提供触发信号。
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