专利名称：用于抵抗过电流的保护速度控制器的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种速度控制器，该控制器安装了一个用于保护的装置，以 抵抗供电网络中由于过电压或欠电压而产生的过电流。
背景技术：
在已知的方式中，速度控制器连接到供电网络中，来控制电气负载。它 包含一个作为输入的电压整流模块，用于将电网络提供的交流电压转换为直 流电压，并对下游提供带有正、负极线路的电源总线。 一个滤波电容器，通 常被称为总线电容器，安装在电源总线的正极端和负极端之间。作为输出，
控制器包括一个由电源总线供电的逆变模块，使用电子开关(如由脉宽调 制(PMW)方式来控制的IGBT晶体管开关)将直流电压转换为幅度和频率 可变的交流电压。
供电网络可能会受到不同类型的干扰，如过电压或欠电压。这种干扰可 能是幅度高、持续时间短的低能量干扰，或者是幅度〗氐、持续时间长的高能 量的干扰。如果是高能量的干扰，控制器的一些元器件，如整流模块中的二 极管、总线电容器或者逆变模块中的晶体管可能会净皮损坏。
发明内容
因此本发明的目的在于提供 一 种能够吸收电源网络中产生的干扰而免
遭损坏的速度控制器。
此目的通过一速度控制器而达到，所述速度控制器包括
-作为输入的整流模块，其将供电网络上可得的交流电压转换成电源总
线上直流电压；
-连接在电源总线的正极线路和负极线路之间的总线电容器；和 -由电源总线供电的逆变模块，可受控传送交流电压到电气负载； 其特征在于
-控制器包括一个保护装置，其用于对控制器进行保护以抵抗供电网络
4电压变化而引起的过电流；
并且其特征在于该保护装置包括
-第一电子开关，其位于电源总线上、串联在整流才莫块和总线电容器之
间；
-第一电阻器，与第一电子开关以并联方式配置；
-组合部件，包括串联配置的第二电子开关和第二电阻器，该组合部件
与第一电子开关及第一电阻器并联配置；
-控制装置，用于控制第一电子开关和第二电子开关。 根据详细的特征，该保护装置配置在电源总线的正极线路上。 第一电子开关优选地是常导通JFET晶体管，由高带隙能量材料如碳化
硅制成。
根据详细的特征，用于控制JFET晶体管的控制装置连接在电源总线的 正极线路和负极线路之间。这些控制装置例如包括可向JFET晶体管施加控 制电压的电荷泵电路。
第二电子开关优选地是常关断类型，控制第二电子开关的控制装置包括 可向第二电子开关施加控制电压的电荷泵电路。
根据本发明，控制装置包括存储器装置，用于存储一个门限值，当在 JFET晶体管端子处测得的电压超过该门限值时，JFET晶体管^皮控制装置 关断。存储器装置同时保存一个预定的时间段，在预定的时间段的末端，如 果JFET晶体管端子处测得的电压超过所述门限值，第二个电子开关被导通。 存储器装置可以保存一个门限值，当在电源总线的正极线路和负极线路之间 测得的电压超过该门限值时，第二电子开关被导通。
优选地，控制器还包括用于保护整流模块以抵抗过电压的装置。这个用 于保护整流模块抵抗过电压的装置包括例如常导通的JFET限制晶体管和齐 纳二极管，这两个器件并联连接在电源总线的正极线路和负极线路之间。在 另 一个形式中，保护整流模块抵抗过电压的装置包括连接在电源总线正极线 路和负极线路之间的GMOV可变电阻器。
参照以示例的方式给出的和由附图所描绘的实施方式，其他的特性和优 点将在下面进行详细的描述，附图中的图1以一种筒化的方式展示了本发的配置了保护装置的速度控制器。
具体实施例方式
参照附图1,速度控制器1包括为电源总线4€供直流电压Vdc(例如200 至800Vcc甚至更高，根据使用情况而定)的直流电压源，电源总线由正极 线路10和负极线路11构成。总线电容器Cb通常用来维持电源总线上恒定 的直流电压Vdc。这个总线电容器Cb连接在电源总线的正极端和负极端之 间，且通常是电解电容器。
图1中，控制器1包括作为输入的整流模块12，用于整流来自于外部的 供电网络A(如三相380Vac电源网络)的三相交流电压。有利的是，整流 模块12使用比晶闸管更便宜、更可靠的二极管120
速度控制器1还包括作为输出的逆变模块13,由电源总线供电，能够 使用可为可变幅度和频率的交流电压控制电气负载2。为实现此目的，逆变 模块13采用脉宽调制(PWM)方式控制配置在每相上的电子功率开关130。 这些开关是功率晶体管，如IGBT功率晶体管，它们由控制模块(未在图中 示出)控制。在图1中，逆变模块13包括三个分支，用于给电气负载2传 输三相交流电压，每个分支在电源总线的正极端和负极端之间串联配置了 2 个功率晶体管，共计6个功率晶体管。
本发明是将保护装置14放入控制器中，以保护控制器抵抗由供电网络 A中电压变化而引起的过电流。
这些过电流可产生于两种不同的现象中
-在过电压的时侯，总线电容器Cb产生的强电流浪涌，它可以损坏整 流模块12中的二极管整流桥，以及电源总线上的高的过电压，可以损坏逆 变模块13和总线电容器Cb;
-当发生欠电压后并返回正常电压时，总线电容器Cb也可产生强电流 浪涌，其可能会损坏整流模块12中的二极管整流桥。
因此有必要限制整流模块12中的电流浪涌，从而在网络A中出现过电 压期间或发生欠电压后进行防护。
为实现该目的，本发明的装置14特别地包括第一电子开关，例如一个 常关断或常导通的JFET、 MOSFET或者IGBT电子开关。
第 一 电子开关优选地由高带隙能量的材料(也被称作宽带隙材料)制成，即在导通状态下呈现低电阻Rds。n,并且可以经受高电压(高于1000V),例 如炭化硅或者是氮化镓(GaN )。
第一电子开关优选是JFET类型。JFET晶体管是^^知的电子功率开关， 它包括一个控制栅极(G),用于允许或禁止电流从漏极(D)和源极(S) 之间流过。如果栅极和源极之间的电压Vgs接近0，这种晶体管被称为"常 导通，，型。这意味着在没有控制电压Vgs下，漏-源沟道导通。相反，如果在 栅极和源极之间没有控制电压Vgs下，漏-源沟道不导通，这样的JFET晶体 管被称为"常关断"型。
另外，已经证明常导通的JFET晶体管可提供比其它压控电子功率开关 更好的性能，如MOSFET， IGBT或甚至是常关断型的JFET开关。特定地， 这种开关具有下列具体的优点开关速度更快、导通状态下(导电状态下 Ros。n为低电阻)产生更少的传导损耗、更好的温度特性和拥有更小的尺寸。
因而，本发明的保护装置14优选地包括常导通JFET晶体管Tl ，由高 带隙能量材料如炭化硅或氮化镓制成。晶体管Tl配置在整流模块12和总线 电容器Cb间的电源总线的正极线路10上。装置14还包括与晶体管Tl并联 配置的第一电阻器R1，以及由第二电阻器R2和第二电子开关串联构成的組 合部件，这个组合部件与晶体管Tl和第一电阻器R1并联配置。第二电子开 关例如是常关断的IGBT晶体管T2。
第一电阻器具有几十欧姆量级的高阻值，如70欧姆(对于一个4kW的 控制器阻值可从100欧姆到IO欧姆)，而第二电阻器具有几个欧姆量级的低 阻值，如3欧姆(对于4kW的控制器，阻值从5欧姆到0.5欧姆)。
此外，本发明的装置还包括控制装置140，用于控制晶体管T1和晶体 管T2。这些控制装置140特别包括了用于决定晶体管Tl和T2的开关动作 的处理装置、用于存储不同门限值的存储装置、用于控制晶体管Tl的电源 和用于控制晶体管T2的电源。使用的电源例如是电荷泵电路，其包括在电 路预充电时从电源总线充电的电容器和与电容器并联的齐纳二极管。用来控 制电子晶体管T2的电荷泵电路的源是晶体管Tl的漏极，同时晶体管Tl的 电荷泵电路的源是晶体管Tl的源极。也可以使用单独的外部电源来控制晶 体管T1和T2，但在这种情况下，控制装置140不再由电源总线直接供电， 并且电路因此不再独立。这种情况下，可能要考虑使用常关断晶体管Tl和 将本发明的装置14配置在电源总线负极线11上，并位于整流模块12和总线电容器Cb之间。
控制器1还包括连接在电源总线的正极线路IO和负极线路11之间的去 耦电容器Cd,且位于整流模块12的下游，保护模块14的上游。这个去耦
根据控制器1是否处于初始阶段的预充电、遭受网络的过电压或欠电压 的情况，控制器1的保护装置14有如下几种工作方式 -初始阶段
晶体管Tl初始是导通状态，其导通状态下的电阻(Rds。n)非常小。因 此，晶体管T1引脚处的电压V同样也非常低。晶体管T2初始为关断状态。
一旦流经T1的电流超过它的限制电流，晶体管T1变成限制状态。限制 电流足以对晶体管Tl和T2的电荷泵电路的两个电容器进行充电。 一旦晶体 管T1的电荷泵电路的电容器被充电，控制装置140施加电压以控制T1的开 关动作，以通过第一电阻器Rl对总线电容器Cb充电。第一电阻器R1具有 高值，可以使得总线电容器Cb緩慢充电并实现预充电电路的功能。如果总 线电容器端子的电压Vdc超过了存储的第一门限值Sl，如250伏，这样会 控制晶体管T2导通来加速对总线电容器Cb进行充电，与T2串联的第二电 阻器R2比第一电阻器R1的阻值低。后面的功能在本发明的装置中是可选 的。在总线电容器Cb具有高电容值情况下才有意义。
当晶体管Tl引脚处测得的电压V再次为0时，也意味着初始阶段结束。 更详细地，如果晶体管Tl引脚处测得的电压为0,意p未着此时电流不再流 过第一电阻器R1或者是第二电阻器R2，因此总线电容器Cb充电完成。控 制装置能够通过断开其电源来控制晶体管Tl处于导通状态，并且在采用了 "总线电容器快速充电"方式下，控制T2处于关断状态。
-网纟各过电压
当供电网络A中产生过电压时，在总线电容器Cb上产生强电流浪涌。 因此流过晶体管T1的电流快速上升，直到晶体管T1变为限制状态为止。晶 体管Tl的电阻增大来限制电流，这引起晶体管Tl引脚处测得的电压V的 升高。如果晶体管T1引脚处的电压V超过了存储的第二门限值S2，例如， 定为3伏，此时控制装置对晶体管Tl施加一控制电压控制来使其截止。在 这种状况下，电流接着流过第一电阻器Rl,此时第一电阻器R1会遭受过电 压产生的影响。当过电压结束时，晶体管Tl引脚处测得的电压返回到低于
8第二门限值S2，控制装置通过切断其电源来导通晶体管Tl。可以通过降低
第二门限值S2来降低最大的限制电流。晶体管Tl接着在变为限制状态前辈 关断，它的引脚处的电压与在导通状态下它的电阻和流过它的电流的乘积成 比例。
-网络欠电压
在控制器的供电网络处于欠电压期间，晶体管Tl导通，如果电气负载 2在逆变器上则总线电容器Cb》文电，或者如果电气负载2不在逆变器上则 总线电容器Cb不放电。在欠电压结束之后，当它返回正常值过程中，如果 总线电容器Cb没有放完电，则不会有电流浪涌产生。相反，如果总线电容 器Cb在欠电压期间给电气负载2供电而放电完毕，总线电容器在电压返回 正常前就必须进行重新充电，这样会产生强电流浪涌。为了保护控制器元件， 晶体管Tl转变为限制状态，且它会引起晶体管Tl引脚处测得的电压V升 高。当晶体管T1引脚处的电压V超过了上面定义的第二门限值S2，如3伏 时，控制装置将晶体管T1关断。此时电流流过第一电阻器R1。如果电气负 载2在逆变器上，则给负载2供电的电流和向总线电容器Cb重新充电的电 流一起流过第一电阻器Rl,这会造成第一电阻器R1持续发热。如果晶体管 Tl引脚处测得的电压V保持高于第二门限值S2至少一个预存储时间段t， 如2-3毫秒，则控制装置140将晶体管T2导通，从而通过流过第二个电阻 器R2的电流来加速对总线电容器Cb的充电过程。这是由于晶体管T1引脚 处的电压V保持高于第二门限值S2 —段时间，这意味着控制器没有遇到常 见的暂态过电压，而是处于欠电压后并返回正常值的过程中。当晶体管Tl 引脚处测量的电压V回归到第二门限值S2之下时，控制装置140将晶体管 Tl导通。
上述不同的控制顺序实现了安装常导通晶体管Tl的保护装置的启动。 然而，也应当以相同的思路来理解使用常关断晶体管Tl下的情况。但是在 这种情况下，控制装置中需要一个特殊的隔离电源来控制常关断晶体管Tl。
根据本发明，这个装置比较适合如下场合，当控制器l不包括电源总线 上的任何滤波扼流圈(DC扼流圈)，以及当总线电容器具有高电容器值(如， 超过80uF/kW)时。
然而，这种单独的方法还是有缺点，当晶体管Tl在过电压期间被关断 时，在整流模块12上会产生很大的电流强度变化(高的di/dt)。控制器1的输入电感或是线路电感(附图1未示出)会受到很强的瞬态过电压，它可
能会损坏整流模块12中的二极管整流桥。
为了消散所产生的能量，可以使用具有晶体管Tl的雪崩特性。晶体管 Tl在当它引脚处的电压V超过其雪崩门限时，可自动变成导通状态。如果 在总线电容器引脚处的电压到达700伏以及当整流模块的二极管可耐受 1600伏电压时，晶体管Tl必须设计成例如雪崩门限值为800伏。然而，晶 体管Tl也必须要设计成能够吸收来自网络A中大量的能量。
在一个变型中，为了消散产生的能量，可以优选在去耦电容器Cd处， 并联一个Gmov可变电阻器Ml (以虚线画出)或者是增加与齐纳二极管Zl 并联提供的常关断JFET晶体管T3。晶体管T3例如可使用它的雪崩特性或 使用特殊控制来进行导通。
权利要求
1、一种速度控制器，包括-作为输入的整流模块(12)，从供电网络(A)中获取交流电压，在电源总线(10，11)上产生直流电压；-总线电容器(Cb)，连接在电源总线的正极线路和负极线路之间；和-逆变模块(13)，由电源总线供电，受控传递交流电压到电气负载(2)；其特征在于-控制器(1)包括保护装置(14)，用于保护控制器抵抗供电网络(A)中由于电压变化而产生的过电流；并且，其特征在于保护装置包括-第一电子开关，位于电源总线上，串联在整流模块(12)和总线电容器(Cb)之间；-第一电阻器(R1)，与第一电子开关并联配置；-组合部件，包括串联配置的第二电子开关(T2)和第二电阻器(R2)，该组合部件和第一电子开关及第一电阻器(R1)以并联的方式配置；-控制装置(140)，用于控制第一电子开关(T1)和第二电子开关(T2)。
2、 根据权利要求1所述的控制器，其特征在于所述保护装置(14) 配置在电源总线的正极线路(10)上。
3、 根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于所述第一电子开 关是JFET晶体管(Tl)。
4、 根据权利要求3所述的控制器，其特征在于所述JFET晶体管(Tl) 由碳化硅制成。
5、 根据权利要求3或4所述的控制器，其特征在于所述JFET晶体管 (Tl)是常导通的。
6、 根据权利要求3至5之一所述的控制器，其特征在于用于控制所 述JFET晶体管(Tl )的所述控制装置(140)连接在所述电源总线的正极线 路(10)和负极线路(11 )之间。
7、 根据权利要求6所述的控制器，其特征在于这些控制装置(140) 包含可向所述JFET晶体管施加控制电压的电荷泵电路。
8、 根据权利要求3至7之一所述的控制器，其特征在于第二电子开关为常关断型。
9、 根据权利要求8所述的控制器，其特征在于用于控制第二电子开 关的控制装置包括可对向第二电子开关(T2)施加控制电压的电荷泵电路。
10、 根据权利要求3至9之一所述的控制器，其特征在于控制装置(140) 包括存储装置，用于存储一个门限值(S2),当所述JFET晶体管(Tl)引 脚处测得的电压(V)超过该门限制(S2)时，所述JFET晶体管(Tl)被 控制装置(140)关断。
11、 根据权利要求IO所述的控制器，其特征在于存储装置存储预先 设定的时间段，在该时间段的末端，如果在JFET晶体管(Tl)引脚处测量 的电压(V)保持高于所述门限值(S2),第二电子开关(T2)被导通。
12、 根据权利要求3至11之一所述的控制器，其特征在于控制装置 (140)包括存储装置，用于存储一个门限值(Sl)，当在电源总线的正极线路(10)和负极线路(11)之间测得的电压超过该门限值时，第二电子开关 (T2)被导通。
13、 根据权利要求1至12之一所述的控制器，其特征在于它还包括 了保护整流模块(12)抵抗过电压的装置。
14、 根据权利要求13所述的控制器，其特征在于用于保护整流模块 (12)抵抗过电压的所述装置包括常导通的JFET限制晶体管(T3)和齐纳二极管(Zl)，这两个器件并联连接在电源总线的正极线路(10)和负极线 路(11)之间。
15、 根据权利要求13所述的控制器，其特征在于用于保护整流模块 抵抗过电压的装置包括GMOV可变电阻器(Ml),它连接在电源总线的正 极线路(10)和负极线路(11)之间。
全文摘要
本发明涉及一种速度控制器，包括整流模块(12)，从供电网络(A)获取交流电压，来在电源总线(10，11)上产生直流电压；总线电容器(Cb)，连接在电源总线的正极线路和负极线路之间；和逆变模块(13)，由电源总线供电，受控输出交流电压到电气负载(2)；保护装置(14)，当供电网络(A)中由于电压变化而产生过电流时，对控制器进行保护。
文档编号H02M5/45GK101515758SQ20091013077
公开日2009年8月26日 申请日期2009年2月23日 优先权日2008年2月21日
发明者菲利普·鲍德森, 霍西尼·鲍拉特斯 申请人:施耐德东芝换流器欧洲公司