专利名称：用于控制直流负载的dc/dc桥的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制直流负载的DC/DC桥，所述桥具有配备了可控半导体开关的功率级，并包括两个桥部分，其中一个桥部分传导直流电，而另一个桥部分由PWM控制以调整电流幅度。
升降机用电动机驱动器可以是交流或直流电动机驱动器。可以例如经由PWM(脉宽调制)来控制该驱动器。现在，交流电动机驱动器相当普遍，主要因为交流电动机的简单构造。然而，直流电动机驱动器仍旧在使用。用交流电动机驱动器替换直流电动机驱动器并不总是合适的，因为例如无传动装置的直流电动机驱动器和其中使用的直流电动机是耐用的，因此不必用交流电动机驱动器来替换它们。此外，替换电动机要承担相对高的成本。
由于趋势是朝向交流电动机驱动器，也很难合理地去专门开发在直流驱动器控制中使用的大功率电子系统。另外，交流驱动器中使用的诸如IGBT的半导体组件不断变得日益有效和经济。而且，可以预期，关于网络谐波的专门新调整可以改变今后的情形，使得直流驱动器中使用的传统半导体开关元件桥的使用将变得更困难。
本发明的目的就是克服现有技术的缺点，并获取用于诸如直流电动机的直流负载的新类型的受PWM控制的DC/DC桥。本发明的方案基于大功率电子设备布局(topology)的新原理，其中有可能在直流电动机的控制中利用交流驱动器技术。在本发明的方案中，受PWM控制的桥部分包括两个桥臂，且在这些桥臂中的半导体开关交替地进入传导状态。
所附权利要求中详细限定了本发明的方案。
通过使用本发明的技术，有可能例如为升降机应用制造现代化的且经济的PWM控制的直流电动机驱动器。通过实施本发明，可以在直流驱动器中利用大功率电子技术和在大产品系列中制造的交流驱动器的组件。功率级电路的导电轨和其它结构可以等同于交流驱动器中使用的那些组件。另外，即使在直流应用中也可以使诸如IGBT的半导体开关的使用最优化。并且，特别地，在开发中达到了节约成本，且在交流和直流驱动器二者中都可以使用相同的生产方法。
下面，将参考例子和附图详细描述本发明，其中
图1示出了现有技术的直流电桥；图2示出了交流驱动器中的网络桥；图3示出了根据本发明的直流驱动器，包括根据本发明的DC/DC桥；图4示出了用于本发明的DC/DC桥的时序图；以及图5图解了在本发明的DC/DC桥中的半导体开关的布置图和冷却。
图1示出了用于例如升降机应用的直流电动机驱动器的现有技术PWM控制的H桥H1。该H桥H1包括连接到直流电源UDC的两个桥臂H11和H12，每个臂包含用于正极和负极的可控半导体开关S11-S14，所述可控半导体开关由例如IGBT晶体管和二极管的反相并联组成。该桥给诸如升降机的直流电动机的直流负载L1供电。
图2对应地示出了现有技术的三相电交流驱动器中用于将网络的交流电压UAC整流为直流电压UDC的网络桥A1，且在网络桥A1之前连接了交流电感单元P1。该桥在上面的和下面的臂上具有可控半导体开关S21-S26，这些半导体开关连接到每个网络相位，并且还可以由例如IGBT晶体管和二极管的反相并联组成。
原理上，本发明的电动机驱动器与现有技术包括网络转换器(整流器桥)、电动机桥和电感器的三相交流驱动器相似。本发明特别涉及给电动机供电的DC/DC桥。网络桥和电感器可以是例如在图2中所示出的。根据本发明，在整流桥和电动机桥二者中可以使用相同类型的可控半导体开关。
图3示出根据本发明的DC/DC桥B1，其用于给直流电动机M1供电，直流电ldc流入到该电动机。由控制单元BC1控制该桥。使用分立的磁化单元MA1来完成电动机的磁化，而这是以完全公知的方式控制的。
在图3中示出的DC/DC桥包括两个桥部分B11、B12。在根据图3的桥中的第一桥部分包括两个臂B111和B112，每个臂包含可控半导体开关单元S21-S24。该桥臂经由连接器CONN1在功率级电路板上彼此连接。第二桥部分B12包括具有可控半导体开关单元S25-S26的单个臂。这样，该桥总体上有三个臂，对应于三相DC/AC桥。对每一个半导体开关，在控制单元BC1中提供控制器BC21-BC26。
对本发明的DC/DC桥的调制如下进行本发明的PWM控制的直流驱动器可以使用与在交流驱动器中使用的相同种类的用于PWM控制的半导体开关S21-S26。可以由例如控制单元中的开关SW1来选择直流驱动器。代替交流电，使用零频率(非旋转场)。在本发明的直流驱动器中，并非所有的半导体开关都必须切换高频率(通常几kHz的频率)的PWM控制信号；两个开关S25和S26可以用于选择转矩方向(上/下)，且所谈论(in question)的开关传导单纯的DC电流。以几kHz的频率接通/关断用于PWM控制的开关S21-S26，以控制电流lcd的幅度(转矩).
最大的功率损耗发生在用于PWM控制的开关S21-S26。在本发明的控制方法中，用于PWM控制的开关在不同的臂交替地进入传导，所以所谈论的开关仅以正常传导时间的50％或更少运转。在图4的时序图中可看出这一效应，图4表示开关S21、S23和S26的传导时间以及二极管S22和S24的传导时间。
从热的观点看，本发明具有在直流驱动器中可以充分利用交流驱动器的功率级的优点。电路中使用的IGBT中的热损耗通常是在PWM控制中没有使用的开关的热损耗的两倍。因此，根据本发明，开关S21和S23仅以循环方式在至多50％的时间内保持传导。传导时期根据所需电压(电流)而变化。
与现有技术的H桥相比，该电路还具有将生成干扰噪声的直流电1dc的波动减少到原始水平的大约一半的优点。可以通过减少PWM开关S21-S24的切换频率来利用这个优点，这将减少在开关中的热损耗，并增加桥的负载容量。
在实践中，因为直流电损失稍大于PWM切换的损失，所以直流开关可能具有更高的损耗。因此，将开关S25和S26放在冷却段COOL1(图5)的进气口侧(箭头)，因为进气口侧比该段的中间部分或者出气口侧凉，如温度曲线TEMP所示。
对本领域的技术人员显而易见的是，本发明的不同实施例不限于上述示例，而是它们可以在所附权利要求的范围内变化。除IGBT之外，所使用的开关也可以由其它完全门控部件组成。除直流电动机之外，负载也可以包括例如升降机的制动磁体。
本发明的装置可以在宽范围的电驱动器中使用。通过应用本发明的原理，可以通过使用最新的IGBT技术覆盖直流升降机驱动器的功率范围。可以在相同的生产线上组装交流和直流驱动器模块，且可以主要经由软件控制来选择该应用。
权利要求
1.一种用于控制直流负载(M1)的DC/DC桥，所述桥具有可控半导体开关单元(S21-S26)，并具有两个桥部分(B11、B12)，其中一个桥部分(B12)传导直流电，而另一个桥部分经由脉宽调制(PWM)控制以调整电流幅度，其特征在于-所述DC/DC桥(B1)包括三个桥臂，-两个桥臂(B111、B112)并联，并且-经由PWM控制并联桥臂中的半导体开关，以形成PWM控制的桥部分。
2.根据权利要求1的控制单元，其特征在于，同时接通PWM桥臂中的半导体开关(S21、S23)。
3.根据权利要求1的控制单元，其特征在于，交替接通在PWM桥臂中的半导体开关(S21、S23)。
4.根据权利要求3的控制单元，其特征在于，控制用于PWM控制的半导体开关，使得所述半导体开关基本上在桥部分(B11)的传导时间的至多50％内传导。
5.根据权利要求1的控制单元，其中半导体开关安装为向其供应诸如空气的冷却介质的冷却基底(COOL1)上的桥臂块，其特征在于，传导直流电的桥部分的半导体开关单元(S25、S26)被安置在介质入口侧。
6.根据权利要求5的控制单元，其特征在于，以彼此不同的距离放置所述块，以使冷却最优化。
7.根据权利要求1的控制单元，其特征在于，所述直流负载是直流电动机。
8.根据权利要求1的控制单元，其特征在于，所述直流负载是升降机的制动磁体。
9.根据权利要求1的控制单元，其特征在于，所述桥臂在功率级电路板上或至少在与功率级电路板接近的点上彼此连接。
10.根据权利要求1的控制单元，其特征在于，同一个桥可以在直流驱动器和交流驱动器中都起作用，且所述控制单元具有用于选择直流/交流驱动器的开关(SW1)。
全文摘要
一种用于控制直流负载(M1)的DC/DC桥，所述桥具有可控半导体开关单元(S21－S26)，并具有两个桥部分(B11、B12)，其中一个桥部分(B12)传导直流电，而另一个桥部分经由脉宽调制(PWM)控制以调整电流幅度，其中所述DC/DC桥(B1)包括三个桥臂，两个桥臂(B111、B112)并联，并且并联桥臂中的半导体开关经由PWM控制，以形成PWM控制的桥部分。
文档编号H02P7/00GK1748354SQ200480003704
公开日2006年3月15日 申请日期2004年1月29日 优先权日2003年2月7日
发明者佩卡·杰科南, 埃萨·帕特基南 申请人:通力股份公司