具有電壓平衡電路的輔助諧振換向極變流器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及用于限制切換所需功率的諧振電力轉換的改進電路。
[0002]背景
[0003]在電力變流器中，當所有組件均不具有理想特性時產生損耗。損耗在電源電路中弓丨入熱量，其中除了消耗能量將熱應變引入到所有部件中之外，還縮短了使用壽命。
[0004]期望增大電力變流器的操作頻率，這樣生成的輸出然后可以被更準確地控制。增大切換頻率導致較低的切換紋波、較小的組件值，繼而導致本發明的更緊湊、重量輕且有成本效益的實現。另外，較低的切換紋波允許可能降低的EMI，繼而更接近無干擾切換的目標。更進一步，具有高切換頻率允許由電力變流器生成更高頻率的電流，從而擴大了合適的變流器應用的范圍。
[0005]但是，增大頻率也增大了切換損耗，因為大部分損耗基于切換周期出現。在電流穿過半導體時或在其上存在電壓差時迫使半導體換向，需要必須向半導體供應的能量。因此，減小穿過半導體的電流或其兩端的電壓降低了開關的總輸入功率，并且因此降低了系統的總輸入功率。
[0006]降低特定開關上的損耗的一種方式是添加諧振組件到電路，其中電流通過電感元件、通過電容器放電生成。采用這種技術的電路已知為諧振變流器。諧振變流器的使用實現軟開關，這降低了在切換操作中消耗的能量。通常存在兩種類型的軟開關:零電壓切換和零電流切換。零電壓切換包括在換向之前將開關上的電壓差減到最小，而零電流切換包括在切換之前將經過其中的電流減到最小。為使真實的零電壓切換成為可能，諧振電路必須正確調節在開關一側的電壓，使得開關上不存在電勢差。
[0007]生成較少的EMI噪聲是其自身的重要目標。在其中變流器或逆變器被直接連接到電網的應用中，EMI噪聲可導致問題，這些問題在正常情況下通過采用EMC濾波器解決。EMC濾波器必須與變流器串聯地放置，從而處理滿電流容量。通過將EMI降至最低，可使EMC濾波器從變流器設計中省去。
[0008]概要
[0009]提供一種諧振電力變流器。所述諧振電力變流器包括:DC電源，正DC導體、負DC導體、相導體、以及在DC電源與相導體之間耦接的電力轉換單元。電力轉換單元包括:在正DC導體與相導體之間耦接的第一開關，和與第一開關并聯的第一二極管，以及在負DC導體與相導體之間耦接的第二開關，和與第二開關并聯的第二二極管。電力轉換單元還包括在DC電源的中點上的饋給連接與相導體之間耦接的諧振輔助切換電路。諧振輔助切換電路包括控制裝置，以用于控制通過饋給連接與相導體之間的諧振輔助切換電路的電流。
[0010]諧振電力變流器還包括用于平衡饋給連接中的電壓的平衡電路。平衡電路包括與電感器串聯的第一正控制裝置。第一正控制裝置和電感器在正DC導體與饋給連接之間耦接。平衡電路還包括與電感器串聯的第二負控制裝置，其中第二負控制裝置在負DC導體與饋給連接之間耦接。第一正控制裝置和第二負控制裝置適于交替地接通和關斷以用于平衡諧振電力變流器，使得在饋給連接中的電壓實質上為正DC導體和負DC導體的平均電壓。
[0011]通過平衡DC電源，諧振電力變流器能夠更好地減小開關兩端的電壓，使得切換可以以低損耗執行。
[0012]根據一個實施例，諧振電力變流器還包括與電感器并聯或串聯的輔助電容器，使得當電流流過諧振輔助切換電路時產生并聯或串聯諧振電路。
[0013]根據一個實施例，第一正控制裝置和第二負控制裝置與單個電感器串聯連接，然后再耦接到饋給連接。該實施例用幾個組件創建平衡電路。
[0014]正控制裝置和負控制裝置可適于與主開關一起進行切換，并且第一主開關和第一正控制裝置的切換可同步，以及第二主開關和第二負控制裝置的切換可同步，使得DC電源伴隨著開關的切換而被持續地平衡。
[0015]第一正控制裝置和第二負控制裝置可適于被交替地開關，使得第一正控制裝置在實質上50%的時間為接通并且在實質上50%的時間為關斷，并且使第二負控制裝置在實質上50%的時間為接通并且在實質上50%的時間為關斷。
[0016]根據實施例中的任一個實施例的諧振電力變流器可適于在有源濾波器(activefilter)中使用。
[0017]還提供了一種用于減少電氣系統中的諧波的有源濾波器。該有源濾波器包括根據本文實施例中的任一個實施例的諧振電力變流器和控制單元，該控制單元適于測量在電氣系統中的一點處的電壓和/或電流，以及基于測量的電壓和/或電流來控制諧振電力變流器的切換。
[0018]在有源濾波器應用中平衡諧振電力變流器的DC電源是有利的，因為有源濾波器旨在糾正的電壓/電流誤差可迅速改變變化，迫使電力變流器在大電壓時進行切換(如果DC電源未被平衡的話)。
[0019]控制單元還可適于控制諧振電力變流器的第一正控制裝置和第二負控制裝置，以用于平衡諧振電力變流器的DC電源，并且控制單元可適于控制開關和控制裝置，使得第一開關和第一正控制裝置的切換同步，并且使第二開關和第二負控制裝置的切換同步。
[0020]請注意，除非明顯矛盾，否則任何實施例可以以任何方式組合。
[0021]附圖簡述
[0022]現在參考附圖借助于示例來描述本發明，在附圖中:
[0023]圖1a示出用于當輸出電流從具有電壓+V切換成具有電壓-V時的諧振電力轉換電路，
[0024]圖1b示出用于當輸出電流從具有電壓+V切換成具有電壓-V時的諧振電力轉換電路的另選實施例，
[0025]圖2示出用于為當輸出電流從具有電壓+V切換成具有電壓-V時的諧振電力轉換電路，
[0026]圖3a示出用于當輸出電流從具有電壓-V切換成具有電壓+V時的諧振電力轉換電路，
[0027]圖3b示出了圖3a所示的諧振電力轉換電路，其中不同的是DC電源是不平衡電源，
[0028]圖4示出了包括平衡電路的諧振電力轉換電路。
[0029]圖5示出了包括諧振電力轉換電路的有源濾波器的實施例。
[0030]詳細描述
[0031]現在將根據對附圖的參考，借助于示例描述使用諧振電力轉換、或切換的電力變流器的基本原理。應理解，附圖僅用于說明的目的并且不以任何方式限制范圍。
[0032]在下圖中，示出電力變流器用于在有源濾波器中的使用。但是，該實施例僅視作電力變流器的一個用途示例。由所附權利要求定義的發明概念可在其中需要諧振電力變流器的全部應用中使用，諸如在電源變壓器等中使用。
[0033]在有源濾波器中的電力變流器創建補償電流，該補償電流對產生諧波的電氣系統中的負載進行補償。通過減少電氣系統中的諧波，減少了干擾并且降低了電氣系統中的損耗。關于有源濾波器的細節的進一步描述可在例如授予Persson的US7289888中找到。電氣系統在附圖中由能量供應單元4、能量消耗負載5和主導體3示出，其中主導體3用于將能量從能量供應單元4輸送到能量消耗單元5。能量供應單元4可例如為電力網或降低從主電力網供應的電壓的變壓器。能量消耗負載5可例如為電動機。有源濾波器還包括電感器LI，該電感器LI通過以下方式將開關(控制裝置)Gp、Gn所生成的脈沖轉換成連續信號，所述方式為通過在電感器兩端形成與電流變化率(根據I = -LdU/dt)成比例的電壓，來對抗經過該電感器LI的電流的改變。對于被配置用于100A電流的有源濾波器，電感器通常為在200-250uH范圍內的電感器。
[0034]圖1a示出用于諧振電力轉換的諧振電力變流器。該諧振電力變流器包括每相兩個主開關器件Gp、Gn。開關器件具有與其并聯連接的二極管Dp、Dn。諧振電力變流器還包括諧振輔助切換電路AUX，其包括與電感器L2和在DC電源DC上的饋給連接N串聯耦接的輔助開關器件(控制裝置)Sp、Sn。電感器L2適于與輔助電容器Cs產生諧振。DC電源DC根據本實施例是兩個電容器C，每個電容器在饋給連接N處連接。DC電源DC在正導體Ia中產生正電壓V+，并在負導體V-中產生負電壓V-。在一個示例中，正電壓為+400V并且負電壓為-400V。在優選實施例中，IGBT由于高的開關頻率而被用于兩個主開關器件Gp、Gn和輔助開關器件Sp、Sn，但本發明適于與許多類型的開關器件(諸如(但不限于)BJT、MOSFET、MCT、GTO 或 IGCT) —起使用。
[0035]在圖1a中所示的實施例中，輔助電容器(；在0(:電源DC(電容器C)的中點與主開關Gp和Gn之間的中點之間與電感器L2并聯連接。圖1a描述當沒有電流經過LI時諧振電力變流器的操作。為迫使電壓從+V到-V，即從+400V到-400V，需要通過諧振輔助切換電路AUX提供額外的電流。作為切換循環中的第一步驟，開關Gp關斷使得電流停止從正導體Ia流出。在相導體e中的電壓現在為正電壓+V，并且無電流流動。開關Sp接通，閉合諧振電路，導致電容器(；通過開關Sp和二極管Dap放電，并且因此改變電感器L2上的電勢差，產生供應給相導體e的電流。諧振輔助切換電路AUX因此供應強制電勢，該強制電勢實質上等于-V和+V之間的電壓差的一半，從而感應出在電感器L2中的磁場，該磁場保持電流流過電感器，從而使得相導體e中的電勢朝-V下降。借助于驅動電流的電感器L2，強制電勢導致電壓從+400V下降到-400V。當電壓下降結束時，電流開始流過負二極管Dn。此時，負開關Gn上的電勢差減小，使得Gn可在其兩端沒有任何電壓的情況下進行切換。
[0036]圖1b示出諧振電力變流器的在功能上等同的另選實施例。在圖1b所示的電路中，輔助電容器(；在DC電源DC (電容器C)的中點N與輔助切換電路AUX之間與電感器L2串聯連接。正如圖la，圖1b描述當無電流經過電感器LI時諧振電力變流器的操作。
[0037]圖2示出第二替換方案，其中的目的是當電流流過LI時從+V切換到-V。正開關Gp關斷，但是當LI擁有磁場時，其將繼續驅動從二極管Dn流出并經過其中的電流12，使得主引線中的電壓從+V下降到-V，因此降低開關Gn上的電壓差，使得開關Gn能夠以非常小的損耗進行切換。
[0038]圖3a示出第三切換操作，其中當電流流過電感器LI時執行從-V到+V的切換。作為第一步驟，負開關Gn關斷，導致由電感器LI驅動的電流13繼續經過負二極管Dn (被指定為二級管電流Id)。Sp接通，從而閉合諧振輔助切換電路AUX對Cs放電，并借助電感器L2驅動輔助電流14，使得電壓在主引線中上升，并且因此降低Gp上的電壓差。當Gp上的電壓接近零時，Gp接通并且電流IGp開始流過Gp并且Sp關斷。經由輔助電路AUX所供應的電流，流動的電流13的電壓因此從-V轉變成+V，使得在切換循環結束時，電流流過正主開關Gp。
[0039]因為諧振輔助切換電路AUX向圖1a和3a中的電路供應充足的強制電勢，使得相導體