TW479390B - Converter circuit arrangement - Google Patents

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479390 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（！） 發明之背景 發明之範圍 本發明係關於如申請專利範圍第1項中所述變換器電路裝 置之電力電子學。 背景説明 此種電路裝置在美國電機及電子工程師學會1 987年7月出 版之電力電子交易第PE_2卷，第3號由w· McMurray撰寫 之「用於電壓源GTO變換電路之有效緩衝電路」論文中曾 有説明。該文係關於一種變換器電路裝置，至少有兩個連 接至一直流電壓源之串聯GTO連同串聯電路之共同波節形 成一負荷接點。同時所謂之反向並聯二極體係與GT 〇並聯 而在反向後承載電流。必須有一特別電路，或稱「緩衝電 路」來防護GTO在交換時不受過大電流與電壓增減之影響 。按照上述論文中所述之先前技術，此種電路網路相當複 雜，包括與GT Ο及反向並聯二極體並聯或攀聯之電感器、 電容器、電阻.器及二極體。在美國電機及電子工程師學會 1982年期刊中頁466-467上由A· Ferraro發表之「用於電 晶體變換器低損失緩衝電路評論」一文中曾揭露其他形式 之特別電路。 在歐洲專利申請第PP-A1-0 489 945號及W〇_ 93/09600號中敘述有GT0之「硬驅動」及對應驅動單元之 電路苯置。在此二歐洲專利申請説明書中所稱之Γ硬驅動 」係指GT0由閘電流來驅動，該電流之設計爲斷開增益 IA/IGpeak小於3甚多，其結果爲陽極電壓上升至少 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 1·装. 訂 έ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 479390 第85113315號專利申請案 μ 修正 中文說明書修正百⑽年9 B7 步古’年只2^日 _________________^ 五、發明説明（2 ) --^ lkV/us。在本說日月書中，此一硬驅動頗具意義。因此，上 述歐洲專利說明書之内容在此應加以說明。 上述先前技術製造之GT0相位模組，包括用於交流電壓 系統-個相位所需變換器之部分，但仍然相當複雜 因為： ^ h -當GTQ及二極體被打開及關掉時限制電流與電壓梯度 所需保護電路之高位準； ^ —特別電路間之互動（用於限淛dv/dt之電容器及用於限 制dl/dt之電感器形成調諧電路）； —來自供電中間電路之干擾經由dv/dt電容器中位移電流 對各相位產生之影響，可能導致干擾電荷載體注入缓衝二 極體； 一結合大數目個別組件之特性形成一複雜結構(相位模 組、變換器），其中每一元件之特性（GT〇、gt〇之驅動、 二極體、缓衝電路、中間電路中之寄生現象等）在改變時均 會危及其他元件。 因此，GTO相位模組體積甚大，價格昂貴仍須積極加以 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} -- 開發。僅在很少情形下能有效滿足客戶所希望之模組化、 保養簡單及不太複雜之管理。 在本說明書提出前尚未揭露之德國第p 1 95 23 〇95 7號 專利申請中，曾成功地縮小特別電路網路之尺寸。其中所 使用者為美國第5,345,096號專利中之GT〇。但在每一路 徑中仍須有限制電壓上升之保護電容器。此種電容器相當 昂貴且佔用甚大空間。因此，需要有一種完全不要特別電 ----------- - 5 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（" 479390 p # β \ W -------------—____________

條$ I 第85113315號專利申請案 Α7 ^ ΆΤ^\

中文說明書修正頁(88年2月) Β7 I 五、發明説明（3 ) 路網路之電路裝置。 發明之簡說 本發明之一項目的即在提供一種新式變換器電路裝置， 其構造為模組式，符合成本效益且體積小。上述類型裝置 中之寄生效用從開始即應加以排除而使開發之風險與成本 可限制在目前已知之低電壓及低電力等級IGB T變換器之 範圍内。尤其應可在不需要保護電路情形下操作半導體電 力開關。 、 此一目的係藉申請專利範圍第1項中所述變換器電路裝置 之特性來達成。因此，本發明之要點為： 一可關掉之閘流體為硬驅動。尤其是陽極電流IA與最大 閘電流iGpeak之比例，亦即iA/lGpeak應小於或等於1，且閘 電流應快速上升而可在少於或等於21IS最好為少於或等於 1US之上升時間tr内達到最大值IGpeak ; —每一 G T〇之驅動電路之總電感量L g必須選擇能小至 LG<VGR/(lGPeak/tr)，其中VGR相當於閘之反向阻遏電壓； 一在直流電壓源與可關掉流體所形成之串聯電路間有一 自由迴轉電路；及 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) # —與閘流體反向並聯之二極體有2kV/us至1 OkV/us電壓 /時間微分d V / d t之反向電流響應。 此種組合可製成一種電路，不需要先前技術所需之缓衝 電容器即可操作。因可節省組件、降低成本及縮小體積。 同時，因為沒有儲存之能，變換器之損失可予減少。本發 明電路零件負載損失大約與負載電流成正比，且可能有之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 479390 第85113315號專利申請案 A7 匕：水财存2抑阳 中文說明書修正頁(88年2月) B7 五、發明説明（4 ) 寄生影響可予排除。如此即可有較低之開發成本、較低之 風險及高度標準化。 自由迴轉電路包括一電容器、一電感器、一二極體及一 電阻器；電容器係與可關掉閘流體之串聯電路並聯。 自由迴轉電路有各種實例。最簡單之情形是每條路徑有 一自由迴轉電路。部分或整個自由迴轉電路亦可用於多個 路徑。如此即可有小型之電路。 其他實例可從相關申請專利範圍中看出。 附圖簡說 對本發明甚多優點可藉下面之詳細說明並參考下述之附 圖即可有更完整之瞭解： 圖1為本發明之變換器電路裝置； 圖2為反向並聯二極體反向響應之電流與電壓剖析； 圖3為本發明之第二實例； 圖4為本發明之第三實例； 圖5為圖1實例之變化。 圖中所用之代號及其意義列於「代號表」中。 較佳實例之說明 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 附圖中同樣之代號代表相同或相當之零件。圖1所示為本 發明變換器電路裝置中之一條路徑。兩個•聯斷開閘流體 之代號為GT01與GT02，其中央共同波節形成一相位或負 載接點，其上可連接同步馬達之相位接點。在斷開閘流體 與變換器直流電壓中間電路Uzk形成之直流電壓源之間有一 自由迴轉電路2。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 479390 第851133〗5號專利申請案 土文說明書修正頁(88年2月、 A7 B7 修正iMJt SM n^〇 經濟部中央標準局員工消費合作社印菜 i、發明説明（ 本發明之兩個gto為硬驅動者，由於硬驅動而可在大部 分作業應用上不需要任何特別之電路電容器即可達到界定 之斷開值，亦即不需要限制因GT〇之熱能力（發熱與散熱） 所產生電壓上升之電容器。 與本發明相較，先前技術中之GT〇總是需要與之並聯之 保護電容器。 與前述歐洲專利第EP-A1_0 489 945號中仍需要特別保 護電路之裝置相較，本發明陽極電流Ia與最大閘電流 之比例，亦即IA/IGpeak，應小於或等於1，而閘電流在少於 或f於2US，最好在少於或等於lus之上升時間仃内快速升 至取大值I G p e a k。 為達此目的，每一GT0驅動電路之總電感量Lg&須選在 夠小之值，即I^VGR/(lGpeak/u)，其中之Vgr相當於閘之 反向阻遏電壓,。對高電流之GT0，此一目的則是以前述第 5，3 4 5，0 9 6號美國專利中之設計來達到。 整體而言’此-類型之驅動可使陰極電流在斷開時於陽 極電壓上升前即達到零值。 反向並聯之二極體D1、D2^T0反向並聯。在反向道* GTO中，此等二極體亦可併人⑽内。此等二極體必= cH/dt加以㈣，此點係藉電感L以已知之方式完成。此等 二極體亦必須不需要緩衝電容器或特別電路（反向電流響 應，即「反向恢復」）而與電感負載換向斷開。如圖2上站 所示，二極體有反向電流響應。當電壓變換時，電流： 初是反向流動-段時間，在此之前電壓不會上升而會有些 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 479390 第85113315號專利申請案 中文說明書修正頁(88年2月） A7 B7 修正 五、發明説明（6 ) 邊緣梯度dV/dt。因此本發明使用特別修整之二極體（例如 以質子或氦照射）而最好設定為在全負載下換向斷開時其 dV/dt在2kV/us至10kV/us之範圍内。（見圖2) 在設計低交換損失時，GTO在不需要綬衝電路下之作業 及反向並聯之二極體會導致高dV/dt及對應而有之快速換向 斷開。因此須有極低電感之設計（總寄生電路電感為1 0 0〜 200nHP中間電路及自由迴轉電阻器通常不允許如此低之 電感設計。因此本發明之電路須有低電感超越量。超越量 電容器C之 <容量應選在可有效限制暫態過大電壓但不會對 自由流動電容有重大影響。因此在3 k A斷開電流範圍内，大 多使用之電容器為C=lmF-3mF。 因此在直流電壓源Uzk與開關之間置一低電感快速自由迴 轉電路。在最簡單之情形下（圖1)，該電路包括一與GTO並 聯之電容器C及一與一電感器並聯且由一電阻器R及二極體 D形成之串聯電路，電阻器R及電容器C 一侧連接至二極體 之陰極，另一侧則分別接至直流電壓源之正或負接點。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖1僅示出變換器之一條路徑。一般言之，變換器有多條 路徑或相位模組，每一相位模組並赋予一自由迴轉電路。 在較佳實例中，此等元件可共同使用多個相位模組。 在圖3中，自由迴轉電阻器R及超越量電容器C係被多個 相位模組共同使用，但每一路徑置有一電感器。此一實例 之優點為： 一組件數量較少。 一熱集中在一個電阻器上，亦即在水冷卻情形時減低所 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 479390 AT7 _____— B7 五、發明説明（7 ) 需之冷卻能量並增加供水及電阻設計之可靠性（更大之能力） 0 —模組結構小而緊密。 在圖4實例中係共同使用電感器L、電阻器R、超越量電 容器C及二極體D。本電路之優點爲： 一成本極低。 一設計緊密。 —重I與體積最小（僅一個電感器、互接點最少）。 但在本電路中，對前一元件之交換處理在相位交換前應 儿成至僅有一小量電流仍在自由迴轉電阻器R中流動之程度 〇 另外如圖5所示之一個路徑舉例中，自由迴轉電路可置於 直流電壓中間電路之負極與斷開閘流體之間。二極體D必須 用於反向之極性，電路之其餘部分則如鏡像一般對稱。 整體言之，本發明可製造一種變換器，^要保護電路 即可操作斷開閘流體及反向並聯二極體。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 變換器亦可爲三點反換器之形式。在此情形下，每條路 徑至少置有四個開關’不但正、貞中間電路之電壓而且由 開關串聯電路中央共同波節所形成負載接點上之零電壓均 能由適當之開關電路及直流電壓中間電路加以轉換。三點 反換器之功能與設計在甚多參考文件中均有敘述，在:不 作詳:細説明。 顯然本發明在上述原則下仍可有甚多修改與變化。因此 應瞭解在申請專利範圍内，本發明亦能以本文所述外之其 9C 3 9 7 ΑΊ Β7 五、發明説明（8 ) 他方式予以實現。 附圖中之代號表： 1變換器電路裝置 2自由迴轉電路 GT01、GT02斷開閘流體

Dl、D2反向並聯之二極體 D自由迴轉二極體 R自由迴轉電阻器 C電容器

Uzk直流電壓源 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 第085113315號專利申請案 中文申請專利範圍修正本(91年丨月） 1. 一種變換器電路裝置，至少有一條含有偶數數量_聯可 關掉閘流體（G Τ Ο 1 、G T 0 2 )之路徑及與閘流體 (GTOl、GT02)反向並聯之反向並聯二極體（D1、 D 2 )，該路徑或每一路徑係連接至一直流電壓源（U z k)及 形成一負載接點之該路徑或每一路徑中央共同波節，其 中 —·可關掉之閘流體（GTOl、GT02)為硬驅動，其精確 之方式為陽極電流IA與最大閘電流iGpeak之比例，亦即 iA/lGpeak，小於或等於1，而閘電流在少於或等於2US， 最好少於或等於1 u S之上升時間t Γ内即快速升到I 〇 p e a k ; 一每一 GTO驅動電路之總電感量Lg係選定足以小至 LGSVGR/(lGpeak/tr)，其中VGR相當於閘之反向阻遏電 壓；- 一在直流電壓源與可關掉閘流體（GTOl、GT02)所形 成之串聯電路間有一自由迴轉電路（2);及 —·反向並聯二極體有一 2kV/us至10kV/us電壓/時間 微分dV/dt之反向電流響應。 2. 如申請專利範圍第1項之電路裝置，其中每一路徑有一自 由迴轉電路（2)，而自由迴轉電路包括一電容器、_ 電阻器（R)、一二極體（D)及一電感器（L)，電阻器（R)及 二極體（D)串聯且連接於直流電壓源（Uzk)之正極與可關 掉閘流體（GTOl、GT02)串聯電路之間，電感器係 與電阻器（R)及二極體（D)所形成之_聯電路並聯，而電 容器（C) 一側連接至電阻器（R)及二極體（D)所形成_聯

   、申請專利範圍 •電路之共同波節，另一側連接至直流電壓源（Uzk)之負 才兩〇 3.如申請專利範圍第2項之電路裝置，其中至少有三條路 徑，各路徑中自由迴轉電路之電阻器（R)及電容器（C)自 相組合形成一共同組件。 4·如申請專利範圍第3項之電路裝置，其中各路徑自由迴轉 黾路之電感器（L)亦組合成一共同組件。 5·如申請專利範圍第2，3或4項之電路裝置，其中之自由迴 轉電路（2)係置於直流電壓源之負極與可關掉閘流體 (GT〇1、GT02)及面對可關掉閘流體（GT01、GT02) 之二極體（D)之陰極所形成串聯電路之間。 6·如申請專利範圍第1，2，3或4項之電路裝置，其中每一 路徑至少有四個可關掉之閘流體及反向並聯之二極體， 而其中之閘流體連接至直流電壓源，宛如一三點反換 器。 7·如申請專利範圍第5項之電路裝置，其中每一路徑至少有 四個可關掉之閘流體及反向並聯之二極體，而其中之閘 μ體連接至直泥電壓源’鬼如一三點反換器。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公ip -------