CN209170244U - 可逆转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及可逆转换器。一种可逆转换器，包括第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，串联耦合在用于DC电压的第一端子和第二端子之间。第一晶闸管和第二晶闸管串联耦合在用于DC电压的第一和第二端子之间。第三晶闸管和第四晶闸管也串联耦合在用于DC电压端子的第一和第二端子之间，但是相对于第一和第二晶闸管具有相反的连接极性。第一和第二场效应晶体管之间的连接的中点以及第一与第二晶闸管之间和第三与第四晶闸管之间的连接的公共中点被耦合至AC电压端子。以不同的方式控制晶体管和晶闸管的致动，以在AC‑DC转换模式和DC‑AC转换模式中操作转换器。

Description

可逆转换器
优先权声明
本申请要求2017年6月30日提交的法国专利申请第1756180号的优先权，其内容以引用的方式全部纳入法律允许的最大范围。
技术领域
本申请总体上涉及电子电路，并且更具体地，涉及可逆转换器。
背景技术
开关转换器被用于许多应用，并且已知多种类型的转换器。
AC-DC转换器中已知许多整流器桥架构和其他无桥架构，基于切换安装在中点共源共栅(图腾柱)中的两个晶体管(通常为MOS晶体管)。
这些转换器通常用于校正功率因数(功率因数校正器-PFC)。
有必要改进图腾柱转换器。
发明内容
一个实施例提供了一种可逆图腾柱转换器架构。
一个实施例提供了可与浪涌电流的限制兼容的技术方案。
在一个实施例中，提供了一种可逆转换器，包括：第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，串联耦合在与DC电压相关联的第一端子和第二端子之间；电感元件，将所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的串联耦合的第一中点连接到与AC电压相关联的第一端子；第一晶闸管和第二晶闸管，串联耦合在与所述DC电压相关联的第一端子和第二端子之间，其中所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的串联耦合的第二中点被连接到与所述AC电压相关联的第二端子，并且其中所述第一晶闸管的阳极和所述第二晶闸管的阴极被耦合至所述第二中点；以及第三晶闸管和第四晶闸管，串联耦合在与所述DC 电压相关联的第一端子和第二端子之间，其中所述第三晶闸管和所述第四晶闸管的串联耦合的第三中点被直接连接至所述第二中点，并且其中所述第三晶闸管的阴极和所述第一晶闸管的阳极被耦合至所述第三中点。
在某些实施例中，还包括：第一二极管，与所述第一场效应晶体管并联连接，其中所述第一二极管的阳极端子被耦合至所述第一中点；以及第二二极管，与所述第二场效应晶体管并联连接，其中所述第二二极管的阴极端子被耦合至所述第一中点。
在一个实施例中，第一二极管和所述第二二极管中的每个二极管均是场效应晶体管的本征漏极-源极二极管。
在一个实施例中，第一晶闸管、所述第二晶闸管、所述第三晶闸管和所述第四晶闸管是阴极触发的。
在一个实施例中：所述第一晶闸管和所述第四晶闸管是阴极触发的；以及所述第二晶闸管和所述第三晶闸管是阳极触发的。
在一个实施例中：所述第一晶闸管和所述第四晶闸管是阳极触发的；以及所述第二晶闸管和所述第三晶闸管是阴极触发的。
在一个实施例中，还包括控制电路，被配置为通过以下操作来在 AC-DC转换模式中控制转换器操作：在所述AC电压的第一符号的交变期间连续地接通所述第二晶闸管；在所述AC电压的第二符号的交变期间连续地接通所述第一晶闸管；在所述第一符号的交变期间脉冲控制所述第二场效应晶体管；以及在所述第二符号的交变期间脉冲控制所述第一场效应晶体管。
在一个实施例中，还包括控制电路，被配置为通过以下操作来在 DC-AC转换模式中控制转换器操作：在所述AC电压的第一符号的交变期间连续地接通所述第四晶闸管；在所述AC电压的第二符号的交变期间连续地接通所述第三晶闸管；在所述第一符号的交变期间脉冲控制所述第一场效应晶体管；以及在所述第二符号的交变期间脉冲控制所述第二场效应晶体管。
还提供了一种可逆转换器，包括：第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，串联耦合在DC电压端子之间；第一晶闸管和第二晶闸管，串联耦合在所述DC电压端子之间；第三晶闸管和第四晶闸管，串联耦合在所述DC电压端子之间，相对于所述第一晶闸管和所述第二晶闸管具有相反的极性；其中所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管之间的连接的第一中点以及所述第一晶闸管和所述第二晶闸管之间和所述第三晶闸管和所述第四晶闸管之间的连接的公共第二中点被耦合至AC电压端子；以及控制电路，被配置为控制所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管以及第一三端双向可控硅开关、第二三端双向可控硅开关、第三三端双向可控硅开关和第四三端双向可控硅开关的致动，以选择性地在DC-AC转换模式和AC-DC转换模式中操作所述转换器。
在一个实施例中，当在所述AC-DC转换模式中操作时，所述控制电路执行以下操作：在所述AC电压的第一符号的交变期间连续地接通所述第二晶闸管；在所述AC电压的第二符号的交变期间连续地接通所述第一晶闸管；在所述第一符号的交变期间脉冲控制所述第二场效应晶体管；以及在所述第二符号的交变期间脉冲控制所述第一场效应晶体管。
在一个实施例中，当在所述DC-AC转换模式中操作时，所述控制电路执行以下操作：在所述AC电压的第一符号的交变期间连续地接通所述第四晶闸管；在所述AC电压的第二符号的交变期间连续地接通所述第三晶闸管；在所述第一符号的交变期间脉冲控制所述第一场效应晶体管；以及在所述第二符号的交变期间脉冲控制所述第二场效应晶体管。
在一个实施例中，还包括：耦合在多个中点中的一个中点和所述 AC电压的一个端子之间的电感器。
在一个实施例中，一种可逆AC-DC转换器包括：第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，串联耦合在用于DC电压的第一端子和第二端子之间；电感元件，将这两个晶体管的串联中关联的第一中点连接到用于AC电压的第一端子；第一晶闸管和第二晶闸管，串联耦合在DC电压端子之间，第一晶闸管和第二晶闸管的串联中关联的第二中点被连接到用于AC电压的第二端子，第一晶闸管的阳极和第二晶闸管的阴极被连接到所述第二中点；以及第三晶闸管和第四晶闸管，串联在DC电压端子之间，第三晶闸管的阴极和第一晶闸管的阳极被连接到所述第二中点。
根据一个实施例，在第一中点阳极侧上，第一二极管与第一场效应晶体管并联，并且在第一中点阴极侧上，第二二极管与第二场效应晶体管并联。
根据一个实施例，每个二极管都通过晶体管连接的漏极-源极本征二极管来限定。
根据一个实施例，晶闸管是阴极触发的。
根据一个实施例，第一晶闸管和第四晶闸管是阴极触发的，并且第二晶闸管和第三晶闸管是阳极触发的。
根据一个实施例，第一晶闸管和第四晶闸管是阳极触发的，并且第二晶闸管和第三晶闸管是阴极触发的。
根据一个实施例，在AC-DC转换模式中：在AC电压的第一符号的交变(alternations)期间连续地接通第二晶闸管；在AC电压的第二符号的交变期间连续地接通第一晶闸管；在第一符号的交变期间脉冲控制第二场效应晶体管；以及在第二符号的交变期间脉冲控制第一场效应晶体管。
根据一个实施例，第一二极管用作续流二极管。
根据一个实施例，在DC-AC转换模式中：在AC电压的第一符号的交变期间连续地接通第四晶闸管；在AC电压的第二符号的交变期间连续地接通第三晶闸管；在第一符号的交变期间脉冲控制第一场效应晶体管；以及在第二符号的交变期间脉冲控制第二场效应晶体管。
根据一个实施例，第二二极管用作续流二极管。
附图说明
这些特征和优点及其他将在下面结合附图的具体实施例的非限制性描述中详细地公开，其中：
图1是图腾柱AC-DC转换器的普通示例的接线图；
图2部分以块的形式示意性且部分地示出了可逆图腾柱转换器的一个实施例；
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F、图3G和图3H以时序图的形式示出了AC-DC转换模式中的图2中的转换器的操作；
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F、图4G和图4H以时序图的形式示出了DC-AC转换模式中的图2中的转换器的操作；
图5示意性且以简单方式示出了用于生成用于可逆图腾柱转换器的控制电路的DC电压的电路的一个实施例，该电路适用于图2中的实施例；
图6以块的形式示意性且部分地示出了可逆图腾柱转换器的另一个实施例；
图7以块的形式示意性且部分地示出了可逆图腾柱转换器的另一个实施例；
图8以块的形式示意性且部分地示出了用于生成用于图6和图7 中的转换器的控制电路的DC电压的电路的实施例；
图9以块的形式示意性且部分地示出了可逆图腾柱转换器的另一个实施例；以及
图10以块的形式示意性且部分地示出了用于生成用于图9中的转换器的控制电路的DC电源电压的电路的实施例。
具体实施方式
相同的元件在不同的附图中由相同的参考标号指定。具体地，各个实施例共同的结构和/或功能元件可以具有相同的参考标号，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。
为了清楚，将仅描述有助于所述实施例的理解的步骤和元件，并将详细给出。具体地，转换器的最终应用还没有详细说明，所描述的实施例与AC-DC、DC-AC或可逆转换器的通用应用兼容。
除非另有说明，否则当提到两个互连元件时，这意味着直接连接而不包括导体以外的任何中间元件，并且当提到两个互链元件时，这意味着这两个元件可以直接连接或者经由一个或多个其他元件连接。
在下面的描述中，表述“近似”、“基本”表示在10％内，优选在 5％内。
图1是图腾柱AC-DC转换器的普通示例的接线图。
图腾柱转换器基于两个MOS晶体管(这里为N沟道晶体管)S1 和S2的使用，它们串联连接在用于提供DC电压Vdc的两个端子11 和12之间。晶体管S1的漏极位于端子11侧，并且晶体管S2的源极位于端子12侧。DC能量的存储元件C1(例如，电容器或电池)连接端子11和12，端子11任意地是电压Vdc的正极端子。两个晶体管S1和S2之间的中点13经由与用于限制浪涌电流和稳态损耗的电路14串联的电感元件L1连接到用于施加AC电压Vac的第一端子15。例如，电路14是与开关K并联的电阻器R(具有正PTC或负NTC 温度系数)。电阻器R限制启动时的浪涌电流，并且开关K在稳定状态下使电阻器短路，以在达到电压平衡后限制电阻损耗。施加AC电压Vac的第二端子16连接到相关地串联在端子11和12之间连接的两个二极管D3和D4的中点17。二极管D3和D4的阳极分别位于中点17侧和端子12侧。
实际上，端子15和16对应于连接到配电网络的连接端子，并且输入滤波器18(FILTER)或主滤波器一方面介于端子15和电路14 之间，另一方面介于端子16和中点17之间。用于测量AC电流的元件19介于滤波器18和中点17之间。代表由元件19测量的电流的信息被控制电路20(CTRL)使用，用于控制晶体管S1和S2的导通周期。电路20接收其它信息，诸如表示电压Vdc的信息、表示连接到端子11和12的负载的能量需求的信息等。电路20将控制信号提供给电路(DRIVER)21和22，用于生成用于控制相应的晶体管S1和 S2的栅极的控制信号。晶体管S1和S2的本征源极-漏极二极管D1 和D2也在图1中示出。根据连接到端子11和12的负载的要求，脉宽调制地控制晶体管S1和S2。脉冲频率通常是固定的，并且比电压 Vac(通常小于100Hz，配电网典型为50Hz或60Hz)的频率明显更高(至少100的比率，例如从几kHz到几百kHz)。
图1中的图腾柱转换器的操作如下。为了简单，不考虑滤波器18 的存在，但其当然通过来自端子15和16以及朝向这些端子的电流。
在电压Vac的正交变期间，晶体管S2在脉宽调制中被控制以周期性地闭合(ON)，并且晶体管S1保持永久打开(OFF)。此外，晶体管S2的源极-漏极二极管D2被反向偏置，而晶体管S1的源极-漏极二极管D1被正向偏置且用作续流二极管。在晶体管S2的闭合脉冲期间，电感器L1存储能量。电流从端子15经由电感器L1、晶体管 S2和二极管D4流向端子16。连接到端子11和12的DC负载由能量存储元件C1(电容器或电池)中存储的能量供电。在晶体管S2的每次打开处，存储在电感器L1中的能量转移到DC负载。然后，电流从电感器L1经由晶体管S1的二极管D1流向正极端子11，然后从负极端子12经由二极管D4到达端子16，以循环回到电感器L1。在一些情况下，二极管D1是与晶体管S1并联的二极管。
在电压Vac的负交变期间，晶体管S1在脉宽调制中被控制以周期性地闭合(ON)，并且晶体管S2保持永久打开(OFF)。此外，晶体管S1的源极-漏极二极管D1被反向偏置，而晶体管S2的源极-漏极二极管D2被正向偏置，并且用作续流二极管。在晶体管S1的闭合脉冲期间，电感器L1存储能量。电流从端子16经由二极管D3、晶体管S1和电感器L1流向端子15。连接到端子11和12的DC负载由存储在能量存储元件C1中的能量供电。在晶体管S2的每次打开处，存储在电感器L1中的能量转移到DC负载。然后，电流从电感器L1 经由端子15、然后经由端子16、二极管D3到达正极端子11，然后从负极端子12经由二极管D2到达电感器L1。
在晶体管S1和S2中的一个的每个闭合脉冲之前，特别是当远离电压Vac的零交叉时，使用浪涌电流限制电路14。确实，当接近对应交变的中间点时，在晶体管S1或S2闭合时晶体管S1或S2的端子处的电压增加，这不具有会引起电流峰值的限制电路。在晶体管S1和S2的每个闭合脉冲开始之前，开关K以脉冲方式打开，使得电阻器 R限制电容器C1的充电电流，避免这些电流峰值，特别是朝向每个交变的中间。
图1中的转换器是单向的，即，其仅可以操作为AC-DC转换器 (整流器模式)。在一些应用中，期望具有可逆转换器，即，也能够操作为DC-AC转换器。例如，这是为了将能量注入到配电网或者从电池为电机供电。然后，转换器必须能够操作为逆变器。
所述实施例提供得益于图腾柱架构的优点及其性能以产生可逆转换器。
可逆转换器的应用的一个示例是使得可以通过同一转换器，既可以从配电网为负载供电，也可以在负载不消耗时向网络注入能量。
可逆转换器的应用的另一示例是使得可以通过同一转换器，既可以从电池为电机供电(电能-机械能的转移)，又可以从电机的旋转中为电池充电(机械能-电能的转移)。
也可以设想使用MOS晶体管来代替二极管D3和D4，以使结构为双向。然而，限制浪涌电流的需求使得在限制MOS晶体管的控制和空间需求以及用于在稳态下限制损耗的电路的可靠性方面是非常限制性的技术方案。浪涌电流限制电路14也是必不可少的。
图2以块的形式示意性且部分地示出了可逆图腾柱转换器的一个实施例。
图腾柱结构被发现具有两个场效应晶体管S1和S2(例如，MOS 晶体管(这里为N沟道晶体管))，它们串联连接在具有DC电压Vdc 的两个端子11和12之间。晶体管S1的漏极位于端子11侧，并且晶体管S2的源极位于端子12侧。DC能量的存储元件C1(例如，电容器或电池)连接端子11和12，端子11任意地是电压Vdc的正极端子。
两个晶体管S1和S2之间的中点13经由电感元件L1连接到AC 电压Vac的第一端子15。根据所述实施例，规定在图1中用四个晶闸管SCR1、SCR2、SCR3、SCR4替代二极管D3和D4。两个晶闸管 SCR1和SCR2串联连接在端子11和12之间，晶闸管SCR1和SCR2 的阳极被导向到端子12。两个晶闸管SCR3和SCR4串联连接在端子 11和12之间，晶闸管SCR3和SCR4的阳极被导向到端子11。晶闸管SCR1和SCR2串联与晶闸管SCR3和SCR4的串联相关的中点17 是公共的，并且被连接到AC电压Vac的第二端子16。在图2的示例中，晶闸管都是阴极触发的。
如稍后所见，由于所提供的解决方案，浪涌电流限制电路(图1 中的14)是不必要的。
端子15和16例如对应于连接到配电网或电机端子等的连接端子，并且输入滤波器18或主滤波器优选地一方面介于端子15和节点 13之间，另一方面介于端子16和中点17之间。在滤波器18和中点 17之间插入用于测量AC电流的元件19。表示由元件19测量的电流的信息被控制电路20(CTRL)使用，用于控制晶体管S1和S2的导通周期。电路20接收其他信息，诸如表示电压Vdc的信息、表示整流模式中的连接到端子11和12的DC负载的要求的信息等。电路20 向电路(DRIVER)21和22提供控制信号，用于生成用于控制相应晶体管S1和S2的栅极gS1和gS2的控制信号。电路20还直接或间接地将控制信号提供给晶闸管SCR1、SCR2、SCR3和SCR4的触发器gSCR1、gSCR2、gSCR3和gSCR4。晶体管S1和S2的本征源极- 漏极二极管D1和D2也在图2中示出。作为变型，二极管D1和D2 可以是附加部件。根据另一变型，晶体管S1或S2在电流必须分别流入二极管D1或D2中的周期内被接通。这使得可以通过与本征二极管D1或D2中的电流流动有关的传导来减少损耗。在脉冲宽度调制中控制晶体管S1和S2。脉冲频率通常是固定的，并且比电压Vac的频率(通常小于100Hz，对于配电网具体为50Hz或60Hz)明显更高(小于100的比率，例如从几kHz到几百kHz)。转换器在一个方向或另一方向上既不增加也不降低电压。这里只涉及AC-DC转换，反之亦然。在适当的情况下，在上游或下游存在其他的转换和调节系统，用于减小或增加电压Vac和Vdc的值。
由于晶体管S1和S2的存在，晶闸管在图腾柱架构中的两个导电方向上的使用乍一看是无用的。然而，从下面的实施例可以看出，使用四个晶闸管代替两个二极管使得不仅可以避免浪涌电流限制电路，而且还可以使转换器以特别简单的控制可逆。
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F、图3G和图3H以时序图的形式示出了AC电压Vac的周期中的AC-DC转换模式中的图2的转换器的操作。
图3A示出端子15和16之间的电压Vac的行为(线或电机电压) 的示例。图3B示出电流Iac或者线或电机电流的行为的对应示例。图3C示出端子11和12之间的电压Vdc的对应行为(电池电压或电容器C1)的示例。图3D示出DC电压侧上的电流Idc的行为的对应示例。图3E示出晶闸管SCR2的闭合周期的示例。图3F示出晶体管 S2的栅极gS2电压的对应行为的示例。图3G示出晶闸管SCR1的闭合周期的示例。图3H示出晶体管S1的栅极gS1电压的对应行为的示例。
现在考虑稳态，即假定电容器C1处于应用所需的电荷水平。启动时的操作是相似的，但是电压Vdc在多个交变过程中逐渐增加，直到达到由应用设定的额定水平。为了简化解释，下文中滤波器18的存在被忽略。
在AC-DC转换模式中，不使用晶闸管SCR3和SCR4并保持关闭。
晶闸管SCR2在电压Vac的正交变期间接通，而晶闸管SCR1在 AC电压的负交变期间被接通。然而，与图1中的常规情况的二极管 D3和D4不同，将晶闸管SCR1和SCR2置于导通不依赖于晶体管S1 和S2的导通周期，而是在正和负交变的最大可能持续时间期间被强制。该持续时间至少覆盖了晶体管S1和S2的控制脉冲串的整个持续时间，并且由AC电压的半周期来设定。因此，晶体管S1或S2的闭合(根据电压Vac的交变)发生，而其端子处的电压近似为零。晶体管S1和S2的控制不被所述实施例修改。应注意，当通过的电流被抵消时(变得小于其保持电流)，晶闸管SCR1或SCR2在交变结束时被切断。
在电压Vac的正交变期间，晶体管S2在脉宽调制中被控制以周期性地闭合(ON)，并且晶体管S1保持永久打开(OFF)。此外，晶体管S2的源极-漏极二极管D2被反向偏置，而晶体管S1的源极-漏极二极管D1被正向偏置且用作续流二极管。在晶体管S2的闭合脉冲期间，电感器L1存储能量。电流从端子15经由电感器L1、晶体管 S2和晶闸管SCR2流向端子16。连接到端子11和12的DC负载由能量存储元件C1(电容器或电池)中存储的能量供电。在晶体管S2的每次打开处，存储在电感器L1中的能量转移到DC负载。然后，电流从电感器L1经由晶体管S1的二极管D1流向正极端子11，然后从负极端子12经由晶闸管SCR2到达端子16以循环回电感器L1。
在电压Vac的负交变期间，晶体管S1在脉宽调制中被控制，以周期性地闭合(ON)，并且晶体管S2保持永久打开(OFF)。此外，晶体管S1的源极-漏极二极管D1被反向偏置，而晶体管S2的源极- 漏极二极管D2被正向偏置且用作续流二极管。在晶体管S1的闭合脉冲期间，电感器L1存储能量。电流从端子16经由晶闸管SCR1、晶体管S1和电感器L1流向端子15。连接到端子11和12的DC负载由存储在能量存储元件C1中的能量供电。在晶体管S2的每次打开处，存储在电感器L1中的能量转移到DC负载。然后，电流从电感器L1 经由端子15、然后经由端子16、晶闸管SCR1流向正极端子11，然后从负极端子12经由二极管D2到达电感器L1。
使用四个晶闸管的另一个优点是允许操作为逆变器，即在DC-AC 转换中。
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F、图4G和图4H以时序图的形式示出了在AC电压Vac期间的DC-AC转换模式中的图2 的转换器的操作。
图4A示出端子15和端子16之间的电压Vac(线或电机电压) 的行为的示例。图4B示出电流Iac或者线或电机电流的行为的对应示例。图4C示出端子11和12之间的电压Vdc的对应行为(电池电压或电容器C1)的示例。图4D示出DC电压侧的电流Idc的行为的对应示例。图4E示出晶闸管SCR4的闭合周期的示例。图4F示出晶体管S2的栅极gS2电压的对应行为的示例。图4G示出晶闸管SCR3 的闭合周期的示例。图4H示出晶体管S1的栅极gS1电压的对应行为的示例。
在逆变器模式中，不会出现电压Vdc稳态的问题。确实，这里是将能量从DC源(例如，充电电池)转移到AC负载的问题。
例如，为了操作为逆变器，即，将能量注入到配电网或给电机供电，转换器中的电流的流向必须与AC-DC转换器的情况相反。因此，使用相同的符号约定，电流Idc总是为负。此外，电流Iac的符号相对于电压Vac的符号反转，即在正交变期间为负且在负交变期间为正。
对于整流器模式，晶闸管SCR4在AC电压Vac的正交变期间连续地接通，而晶闸管SCR3在AC电压Vac的负交变期间连续地接通。然而，在晶体管S1和S2侧上，与整流器模式不同，在正交变期间控制晶体管S1，并且在电压Vac的负交变期间控制晶体管S2。如果AC 负载可能变化(例如在电机的情况下)，晶体管S1和S2总被脉冲控制，优选在脉宽调制中。
在DC-AC转换模式中，不使用晶闸管SCR1和SCR2并保持关闭。
在电压Vac的正交变期间，晶体管S1在脉宽调制中被控制以周期性地闭合(ON)，并且晶体管S2保持永久打开(OFF)。此外，晶体管S1的源极-漏极二极管D1被反向偏置，而晶体管S2的源极-漏极二极管D2被正向偏置且用作续流二极管。在晶体管S1的闭合脉冲期间，电感器L1存储能量。电流从端子11经由晶体管S1和电感器 L1流向端子15，然后从端子16经由晶闸管SCR4流向端子12。在晶体管S1的每次打开处，存储在电感器L1中的能量被传送到AC网络(或到电机)。然后，电流从电感器L1流向端子15，然后从端子16 经由晶闸管SCR4和二极管D2流向电感器L1。
在电压Vac的负交变期间，晶体管S2在脉宽调制中被控制以周期性地闭合(ON)，并且晶体管S1保持永久打开(OFF)。此外，晶体管S2的源极-漏极二极管D2被反向偏置，而晶体管S1的源极-漏极二极管D1被正向偏置且用作续流二极管。在晶体管S2的闭合脉冲期间，电感器L1存储能量。电流从端子11经由晶闸管SCR3流向端子16，然后从端子15经由电感器L1和晶体管S2到达端子12。在晶体管S2的每次打开处，存储在电感器L1中的能量被传送到AC网络。然后，电流从电感器L1经由二极管D1、晶闸管SCR3流向端子16，并经由端子15循环回电感器L1中。
关于整流器模式，确保在交变的每个末端，足够早地停止晶体管 S1和S2的控制脉冲，以确保在交变结束时电流Iac为零。
更特别针对的应用是电压Vac和Vdc具有大于100伏特的幅度的应用。然而，晶体管S1和S2以及晶闸管SCR1-SCR4的控制信号具有从几伏特到10-20伏特的幅度。因此，必须提供电路以生成具有适当电压基准的这些控制信号。
下面的附图强调在各个实施例中的晶体管和三端双向可控硅开关的控制信号所需的电源连接和电位。
图5示意性地且以简化方式示出DC电源电路4的一个实施例，该电路用于生成可逆图腾柱转换器的控制电路的DC电压，其适用于图2中的实施例。
在图2的实施例中，DC电源电路4必须生成四个不同幅值的DC 电压V1、V2、V3和V4，分别用于晶闸管SCR1、晶闸管SCR2和 SCR3、晶体管S1的控制电路21、以及共用于晶体管S2、晶闸管SCR4 和电路20(例如，微控制器)的控制电路。
在晶体管S2侧上，其源极为地GND(端子12的电位)，其栅极 gS2控制信号的参考电位也可以为地GND。电路22由正电压V4(例如，15伏特的数量级)供电，其可用于生成电路20的电源的几伏特的电压。类似地，触发电流可从晶闸管S4中的地GND参考的若干伏特电压注入，晶闸管S4的阴极位于地GND。
在晶体管S1侧上，端子11的电压太高，以至于不允许参考地 GND的控制gS1。优选地，提供参考DC电源电压，例如从电路21 到节点13选择在几伏特和大约十五伏特之间的给定值。由于节点13 对应于晶体管S1的源极，所以无论节点13的电位如何(与电压Vac 一起演变)，均确保正栅极-源极电压。为此，生成电压V3，例如15 伏特(参照地GND)。该电压用于为电路21的供电的应用要求电压基准的改变。将参照图6描述一个实施例。
在晶闸管SCR1侧上，必须生成电压V1，其也不可参考地GND。优选地，该电压参照端子11的电位而生成。随后将从图6的公开中推断出将电压V1施加于用于注入触发电流的晶闸管SCR1的触发器的电路的一个示例。生成该电压V1的电路的一个示例可以从图8的公开中推导得到。
在晶闸管SCR2和SCR3侧，还必须用不同的地GND基准电压注入触发电流。优选地，电压V2还参照中点17的电位。这里，用于生成该电压V2的电路及其应用于晶闸管SCR2和SCR3的触发器的示例也将随后从图6的公开中推断得到。
图6以块的形式示意性且部分地示出可逆图腾柱转换器的另一个实施例。
关于图2中的附图，晶闸管SCR2和SCR3是阳极触发晶闸管。电路设置的其余部分没有被修改。其结果是，应该修改晶闸管SCR2 和SCR3的触发器的电压基准，以提取用于激励它们的触发电流。图 6还示出了用于根据电压V4(15VDC)生成电压V3(电路21的电源) 的电路设置，并通过电压V4(15VDC)示出电路22的电源。
因此，如上所述，晶体管S2的源极是地GND(端子12的电位)，其栅极gS2控制信号的参考电位也可以是地GND。因此，电路22例如由参考地GND的15伏特的正电压15VDC(端子51)供电，并且从电路20(例如，微控制器)接收低电压数字信号CTRLS2(几伏特，例如3-5伏特)。
在晶体管S1侧上，端子11的电压太高，以至于不允许参考地 GND的控制gS1。在图6的示例中，规定将电路21的电源电压(例如，15伏特)引用到节点13。由于节点13对应于晶体管S1的源极，所以无论节点13的电位如何(与电压Vac一起演变)，均确保正栅极 -源极电压。将15伏特(参考地GND)的电位15VDC施加到(端子 51)二极管D5的阳极，二极管D5的阴极连接到用于施加电路21的正电源电位的端子52。用于施加电路21的基准电位的端子53被连接到节点13。电容器C2将二极管D5的阴极连接到节点13，用于适应为电路21供电的15伏特的电压基准。由于电压基准改变，由电路20 提供的低电压控制信号CTRLS1经由光耦合器54(Opto)施加，光耦合器54的导通端子(双极型输出光电晶体管的发射极和集电极) 分别连接到端子52和电路21的控制输入端。信号CTRLS1通过参照地GND而施加于光耦合器(其光电二极管的阳极)的控制端子。
在晶闸管SCR1和SCR3侧上，光耦合器55(Opto)的晶体管的导通端子(发射极和集电极)连接到电容器C3的电极以及用于在其中注入触发电流的晶闸管SCR1的触发器，电容器C3限定用于施加参考浮置地GND_SCR1/3的隔离(浮置)DC电源(例如，15伏特的等级)的正电位VDC_SCR1/3的端子56。该隔离电源的浮置接地端子GND_SCR1/3经由电阻器R1进一步连接到晶闸管SCR3的(阳极)触发器，用于提取触发电流。由电路20提供的低电压控制信号CNTRL_SCR1/3通过参照地GND而被施加到光耦合器55的控制端子(其光电二极管的阳极)。当信号CNTRL_SCR1/3有效时，光耦合器55的晶体管被接通，并且电流从端子56流入晶闸管SCR1(被通电)的触发器到达端子11、到达晶闸管SCR3的阳极、并从其触发器中提取(晶闸管SCR3由此被通电)，以返回到浮置地GND_SCR1 /3。
在晶闸管SCR2和SCR4侧上，光耦合器57(Opto)的晶体管的导通端子(光电晶体管的发射极和集电极)连接到晶闸管SCR2的阳极触发器(用于从中得到触发电流)和电容器C4的电极，电容器C4 限定用于施加参考浮置地GND_SCR2/4的隔离DC电源(例如，15 伏特的等级)的该浮置地的端子58。该隔离电源的正电位VDC_SCR2 /4通过电阻器R2施加到用于在其中注入触发电流的晶闸管SCR4 的(阴极)触发器。由电路20提供的低电压控制信号CNTRL_SCR2 /4通过参考地GND而被施加到光耦合器55的控制端子(其光电二极管的阳极)。当信号CNTRL_SCR2/4有效时，光耦合器55的晶体管被接通，并且电流从电位VDC_SCR2/4进入晶闸管SCR4(被通电) 的触发器，到达端子12、到达晶闸管SCR2的阳极并从其触发器中提取(因此，晶闸管SCR2被通电)，以返回到端子58。
图7以块的形式示意性且部分地示出可逆图腾柱转换器的另一实施例。
关于图2中的附图，晶闸管SCR1和SCR4是阳极触发的，并且晶闸管SCR2和SCR3是阴极触发的。其结果是，在用于施加晶闸管的控制信号的电压基准侧，其余电路未被修改。关于图6，控制电路设置(光耦合器55、电容器C3、电阻器R1、相对电位VDC_SCR1/3 和GND_SCR1/3的应用；光耦合器57、电容器C4、电阻器R2、相对电位VDC_SCR2/4和GND_SCR2/4的应用)是相同的。不同之处在于，在晶闸管SCR1和SCR3侧上，其是连接到电阻器R1的晶闸管SCR1(而不是晶闸管SCR3)的触发器，并且其是连接到光耦合器 55的晶闸管SCR3(而不是晶闸管SCR1)的触发器。在晶闸管SCR2 和SCR4侧上，其是连接到电阻器R2的晶闸管SCR2(而不是晶闸管 SCR4)的触发器，并且其是晶闸管SCR4的触发器(而不是分别经由端子11和12)。
图8以块的形式示意性且部分地示出用于生成用于图6和图7中的转换器的控制电路的DC电压的电路的实施例。
该图示出了用于根据AC电压Vac生成(微控制器20电源的)电位VDC_SCR1/3、GND_SCR1/3、VDC_SCR2/4、GND_SCR2/4、 15VDC和3.3VDC的电路设置的示例。
使用具有三个次级绕组81、82和83的变压器8。变压器8的初级绕组84经由整流二极管D8(例如，仅用于生成电源的正交变)连接在端子15和开关转换器85(CONV)的端子之间，例如以VIPER 的商标名称已知的集成电路，开关转换器85的另一端子被连接到端子16(图5至图7)。
变压器8的第一次级绕组81提供浮置电压 VDC_SCR1/3-GND_SCR1/3。为此，绕组81的第一端子限定电位 GND_SCR1/3，并且连接到电阻器R1。绕组81的第二端子连接在整流元件D81(例如，二极管)的输入(阳极)处。整流元件D8的输出(阴极)限定电位VDC_SCR1/3并连接到端子56。
变压器8的第二次级绕组82提供浮置电压VDC_SCR2/4 -GND_SCR2/4。为此，绕组82的第一端子限定电位GND_SCR2/4，并且在图6和图7的实施例中连接到端子58。绕组82的第二端子连接在整流元件D82(例如，二极管)的输入(阳极)处。整流元件D82的输出(阴极)限定电位VDC_SCR2/4，并经由线性调节器86 (REG)在图6和图7的实施例中连接到电阻器R2。电容器C82将二极管D83的阴极连接到浮置地GND_SCR2/4。
变压器8的第三次级绕组83提供电压15VDC-GND。为此，绕组 83的第一端子限定电位GND并连接到端子12。绕组83的第二端子连接在整流元件D83(例如，二极管)的输入(阳极)处。整流元件 D83的输出(阴极)限定电位15VDC并连接到端子51。电容器C83 将二极管D83的阴极连接到地GND。
电压VDC_SCR1/3-GND_SCR1/3、VDC_SCR2/4-GND_SCR2/ 4和15VDC-GND的幅度取决于绕组81、82和83相对于绕组84的变压比。
在所示示例中，电压15VDC用于生成参考用于电路或微控制器 20的地GND的低电压3.3VDC(例如，3.3伏特)。为此，例如使用线性调节器87(REG)。电容器C87将转换器的输出连接到端子12 (地GND)。
图9以块的形式示意性且部分地示出图6中实施例的变型，其中参考地GND的控制信号CNTRL_SCR2/4经由电阻器R2施加到晶闸管SCR4的阴极触发器并且经由电荷泵电路71施加到晶闸管SCR2 的阳极触发器，其中通过电压15VDC为电荷泵电路71供电。电路设置的其余部分相对于图6没有修改。
图10以块的形式示意性且部分地示出用于生成用于图9中的转换器的控制电路的DC电源电压的电路的实施例。
该图示出了用于根据AC电压Vac生成电位VDC_SCR1/3、 GND_SCR1/3和15VDC的电路设置的示例。
使用具有两个次级绕组92和93的变压器9。变压器的初级绕组 91连接在端子15和开关转换器95(CONV)(例如，商标名称为 VIPER的已知集成电路)的端子之间，开关转换器的另一端连接到端子16。
变压器9的第一次级绕组92提供电压VDC_SCR1/3 -GND_SCR1/3。为此，绕组92的第一端子限定电位GND_SCR1/3 并连接到电阻器R1(图9)。绕组92的第二端子连接在整流元件D92 (例如，二极管)的输入(阳极)处，并且电容器C92连接绕组92 的两个端子。整流元件D92的输出(阴极)限定电位VDC_SCR1/3 并连接到端子56(图9)。
变压器9的第二次级绕组93提供电压15VDC-GND。为此，绕组 93的第一端子限定电位GND并连接到端子12。绕组93的第二端子连接在整流元件D93(例如，二极管)的输入(阳极)处。电容器 C93连接绕组93的两个端子。整流元件D96的输出(阴极)限定电位15VDC并连接到端子51。
电压VDC_SCR1/3-GND_SCR1/3和15VDC-GND的幅度取决于绕组92和93相对于绕组94的变压比。
这里也可以使用电压15VDC-GND来生成参考用于电路或微控制器20的地GND的低电压(例如，3.3伏特)。为此，例如使用线性调节器97(REG)。
所述实施例的一个优点是由此制造的图腾柱转换器是特别有效的。具体地，其克服了浪涌电流限制电路的需要，同时获得可逆转换器。
已经描述了具体实施例。对本领域技术人员来说，各种变型和修改将是显而易见的。特别地，从图2、图6、图7或图9中的电路设置的选择取决于应用和用于生成控制电压的电路。确实，图8和图10 中的电路仅是示例，并且在其他应用中存在的电压可以用作变型。此外，实施例的具体实施和部件的尺寸在本领域技术人员根据上面给出的功能描述而得到的范围内。

Claims (12)

1.一种可逆转换器，其特征在于，包括：
第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，串联耦合在与DC电压相关联的第一端子和第二端子之间；
电感元件，将所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的串联耦合的第一中点连接到与AC电压相关联的第一端子；
第一晶闸管和第二晶闸管，串联耦合在与所述DC电压相关联的第一端子和第二端子之间，其中所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的串联耦合的第二中点被连接到与所述AC电压相关联的第二端子，并且其中所述第一晶闸管的阳极和所述第二晶闸管的阴极被耦合至所述第二中点；以及
第三晶闸管和第四晶闸管，串联耦合在与所述DC电压相关联的第一端子和第二端子之间，其中所述第三晶闸管和所述第四晶闸管的串联耦合的第三中点被直接连接至所述第二中点，并且其中所述第三晶闸管的阴极和所述第一晶闸管的阳极被耦合至所述第三中点。
2.根据权利要求1所述的可逆转换器，其特征在于，还包括：
第一二极管，与所述第一场效应晶体管并联连接，其中所述第一二极管的阳极端子被耦合至所述第一中点；以及
第二二极管，与所述第二场效应晶体管并联连接，其中所述第二二极管的阴极端子被耦合至所述第一中点。
3.根据权利要求2所述的可逆转换器，其特征在于，所述第一二极管和所述第二二极管中的每个二极管均是场效应晶体管的本征漏极-源极二极管。
4.根据权利要求1所述的可逆转换器，其特征在于，所述第一晶闸管、所述第二晶闸管、所述第三晶闸管和所述第四晶闸管是阴极触发的。
5.根据权利要求1所述的可逆转换器，其特征在于：
所述第一晶闸管和所述第四晶闸管是阴极触发的；以及
所述第二晶闸管和所述第三晶闸管是阳极触发的。
6.根据权利要求1所述的可逆转换器，其特征在于：
所述第一晶闸管和所述第四晶闸管是阳极触发的；以及
所述第二晶闸管和所述第三晶闸管是阴极触发的。
7.根据权利要求1所述的可逆转换器，其特征在于，还包括控制电路，被配置为通过以下操作来在AC-DC转换模式中控制转换器操作：
在所述AC电压的第一符号的交变期间连续地接通所述第二晶闸管；
在所述AC电压的第二符号的交变期间连续地接通所述第一晶闸管；
在所述第一符号的交变期间脉冲控制所述第二场效应晶体管；以及
在所述第二符号的交变期间脉冲控制所述第一场效应晶体管。
8.根据权利要求1所述的可逆转换器，其特征在于，还包括控制电路，被配置为通过以下操作来在DC-AC转换模式中控制转换器操作：
在所述AC电压的第一符号的交变期间连续地接通所述第四晶闸管；
在所述AC电压的第二符号的交变期间连续地接通所述第三晶闸管；
在所述第一符号的交变期间脉冲控制所述第一场效应晶体管；以及
在所述第二符号的交变期间脉冲控制所述第二场效应晶体管。
9.一种可逆转换器，其特征在于，包括：
第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，串联耦合在DC电压端子之间；
第一晶闸管和第二晶闸管，串联耦合在所述DC电压端子之间；
第三晶闸管和第四晶闸管，串联耦合在所述DC电压端子之间，相对于所述第一晶闸管和所述第二晶闸管具有相反的极性；
其中所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管之间的连接的第一中点以及所述第一晶闸管和所述第二晶闸管之间和所述第三晶闸管和所述第四晶闸管之间的连接的公共第二中点被耦合至AC电压端子；以及
控制电路，被配置为控制所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管以及第一三端双向可控硅开关、第二三端双向可控硅开关、第三三端双向可控硅开关和第四三端双向可控硅开关的致动，以选择性地在DC-AC转换模式和AC-DC转换模式中操作所述转换器。
10.根据权利要求9所述的可逆转换器，其特征在于，当在所述AC-DC转换模式中操作时，所述控制电路执行以下操作：
在所述AC电压的第一符号的交变期间连续地接通所述第二晶闸管；
在所述AC电压的第二符号的交变期间连续地接通所述第一晶闸管；
在所述第一符号的交变期间脉冲控制所述第二场效应晶体管；以及
在所述第二符号的交变期间脉冲控制所述第一场效应晶体管。
11.根据权利要求9所述的可逆转换器，其特征在于，当在所述DC-AC转换模式中操作时，所述控制电路执行以下操作：
在所述AC电压的第一符号的交变期间连续地接通所述第四晶闸管；
在所述AC电压的第二符号的交变期间连续地接通所述第三晶闸管；
在所述第一符号的交变期间脉冲控制所述第一场效应晶体管；以及
在所述第二符号的交变期间脉冲控制所述第二场效应晶体管。
12.根据权利要求9所述的可逆转换器，其特征在于，还包括：耦合在多个中点中的一个中点和所述AC电压的一个端子之间的电感器。
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