具有电压平衡电路的辅助谐振换向极变流器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及用于限制切换所需功率的谐振电力转换的改进电路。
[0002]背景
[0003]在电力变流器中，当所有组件均不具有理想特性时产生损耗。损耗在电源电路中弓丨入热量，其中除了消耗能量将热应变引入到所有部件中之外，还缩短了使用寿命。
[0004]期望增大电力变流器的操作频率，这样生成的输出然后可以被更准确地控制。增大切换频率导致较低的切换纹波、较小的组件值，继而导致本发明的更紧凑、重量轻且有成本效益的实现。另外，较低的切换纹波允许可能降低的EMI，继而更接近无干扰切换的目标。更进一步，具有高切换频率允许由电力变流器生成更高频率的电流，从而扩大了合适的变流器应用的范围。
[0005]但是，增大频率也增大了切换损耗，因为大部分损耗基于切换周期出现。在电流穿过半导体时或在其上存在电压差时迫使半导体换向，需要必须向半导体供应的能量。因此，减小穿过半导体的电流或其两端的电压降低了开关的总输入功率，并且因此降低了系统的总输入功率。
[0006]降低特定开关上的损耗的一种方式是添加谐振组件到电路，其中电流通过电感元件、通过电容器放电生成。采用这种技术的电路已知为谐振变流器。谐振变流器的使用实现软开关，这降低了在切换操作中消耗的能量。通常存在两种类型的软开关:零电压切换和零电流切换。零电压切换包括在换向之前将开关上的电压差减到最小，而零电流切换包括在切换之前将经过其中的电流减到最小。为使真实的零电压切换成为可能，谐振电路必须正确调节在开关一侧的电压，使得开关上不存在电势差。
[0007]生成较少的EMI噪声是其自身的重要目标。在其中变流器或逆变器被直接连接到电网的应用中，EMI噪声可导致问题，这些问题在正常情况下通过采用EMC滤波器解决。EMC滤波器必须与变流器串联地放置，从而处理满电流容量。通过将EMI降至最低，可使EMC滤波器从变流器设计中省去。
[0008]概要
[0009]提供一种谐振电力变流器。所述谐振电力变流器包括:DC电源，正DC导体、负DC导体、相导体、以及在DC电源与相导体之间耦接的电力转换单元。电力转换单元包括:在正DC导体与相导体之间耦接的第一开关，和与第一开关并联的第一二极管，以及在负DC导体与相导体之间耦接的第二开关，和与第二开关并联的第二二极管。电力转换单元还包括在DC电源的中点上的馈给连接与相导体之间耦接的谐振辅助切换电路。谐振辅助切换电路包括控制装置，以用于控制通过馈给连接与相导体之间的谐振辅助切换电路的电流。
[0010]谐振电力变流器还包括用于平衡馈给连接中的电压的平衡电路。平衡电路包括与电感器串联的第一正控制装置。第一正控制装置和电感器在正DC导体与馈给连接之间耦接。平衡电路还包括与电感器串联的第二负控制装置，其中第二负控制装置在负DC导体与馈给连接之间耦接。第一正控制装置和第二负控制装置适于交替地接通和关断以用于平衡谐振电力变流器，使得在馈给连接中的电压实质上为正DC导体和负DC导体的平均电压。
[0011]通过平衡DC电源，谐振电力变流器能够更好地减小开关两端的电压，使得切换可以以低损耗执行。
[0012]根据一个实施例，谐振电力变流器还包括与电感器并联或串联的辅助电容器，使得当电流流过谐振辅助切换电路时产生并联或串联谐振电路。
[0013]根据一个实施例，第一正控制装置和第二负控制装置与单个电感器串联连接，然后再耦接到馈给连接。该实施例用几个组件创建平衡电路。
[0014]正控制装置和负控制装置可适于与主开关一起进行切换，并且第一主开关和第一正控制装置的切换可同步，以及第二主开关和第二负控制装置的切换可同步，使得DC电源伴随着开关的切换而被持续地平衡。
[0015]第一正控制装置和第二负控制装置可适于被交替地开关，使得第一正控制装置在实质上50%的时间为接通并且在实质上50%的时间为关断，并且使第二负控制装置在实质上50%的时间为接通并且在实质上50%的时间为关断。
[0016]根据实施例中的任一个实施例的谐振电力变流器可适于在有源滤波器(activefilter)中使用。
[0017]还提供了一种用于减少电气系统中的谐波的有源滤波器。该有源滤波器包括根据本文实施例中的任一个实施例的谐振电力变流器和控制单元，该控制单元适于测量在电气系统中的一点处的电压和/或电流，以及基于测量的电压和/或电流来控制谐振电力变流器的切换。
[0018]在有源滤波器应用中平衡谐振电力变流器的DC电源是有利的，因为有源滤波器旨在纠正的电压/电流误差可迅速改变变化，迫使电力变流器在大电压时进行切换(如果DC电源未被平衡的话)。
[0019]控制单元还可适于控制谐振电力变流器的第一正控制装置和第二负控制装置，以用于平衡谐振电力变流器的DC电源，并且控制单元可适于控制开关和控制装置，使得第一开关和第一正控制装置的切换同步，并且使第二开关和第二负控制装置的切换同步。
[0020]请注意，除非明显矛盾，否则任何实施例可以以任何方式组合。
[0021]附图简述
[0022]现在参考附图借助于示例来描述本发明，在附图中:
[0023]图1a示出用于当输出电流从具有电压+V切换成具有电压-V时的谐振电力转换电路，
[0024]图1b示出用于当输出电流从具有电压+V切换成具有电压-V时的谐振电力转换电路的另选实施例，
[0025]图2示出用于为当输出电流从具有电压+V切换成具有电压-V时的谐振电力转换电路，
[0026]图3a示出用于当输出电流从具有电压-V切换成具有电压+V时的谐振电力转换电路，
[0027]图3b示出了图3a所示的谐振电力转换电路，其中不同的是DC电源是不平衡电源，
[0028]图4示出了包括平衡电路的谐振电力转换电路。
[0029]图5示出了包括谐振电力转换电路的有源滤波器的实施例。
[0030]详细描述
[0031]现在将根据对附图的参考，借助于示例描述使用谐振电力转换、或切换的电力变流器的基本原理。应理解，附图仅用于说明的目的并且不以任何方式限制范围。
[0032]在下图中，示出电力变流器用于在有源滤波器中的使用。但是，该实施例仅视作电力变流器的一个用途示例。由所附权利要求定义的发明概念可在其中需要谐振电力变流器的全部应用中使用，诸如在电源变压器等中使用。
[0033]在有源滤波器中的电力变流器创建补偿电流，该补偿电流对产生谐波的电气系统中的负载进行补偿。通过减少电气系统中的谐波，减少了干扰并且降低了电气系统中的损耗。关于有源滤波器的细节的进一步描述可在例如授予Persson的US7289888中找到。电气系统在附图中由能量供应单元4、能量消耗负载5和主导体3示出，其中主导体3用于将能量从能量供应单元4输送到能量消耗单元5。能量供应单元4可例如为电力网或降低从主电力网供应的电压的变压器。能量消耗负载5可例如为电动机。有源滤波器还包括电感器LI，该电感器LI通过以下方式将开关(控制装置)Gp、Gn所生成的脉冲转换成连续信号，所述方式为通过在电感器两端形成与电流变化率(根据I = -LdU/dt)成比例的电压，来对抗经过该电感器LI的电流的改变。对于被配置用于100A电流的有源滤波器，电感器通常为在200-250uH范围内的电感器。
[0034]图1a示出用于谐振电力转换的谐振电力变流器。该谐振电力变流器包括每相两个主开关器件Gp、Gn。开关器件具有与其并联连接的二极管Dp、Dn。谐振电力变流器还包括谐振辅助切换电路AUX，其包括与电感器L2和在DC电源DC上的馈给连接N串联耦接的辅助开关器件(控制装置)Sp、Sn。电感器L2适于与辅助电容器Cs产生谐振。DC电源DC根据本实施例是两个电容器C，每个电容器在馈给连接N处连接。DC电源DC在正导体Ia中产生正电压V+，并在负导体V-中产生负电压V-。在一个示例中，正电压为+400V并且负电压为-400V。在优选实施例中，IGBT由于高的开关频率而被用于两个主开关器件Gp、Gn和辅助开关器件Sp、Sn，但本发明适于与许多类型的开关器件(诸如(但不限于)BJT、MOSFET、MCT、GTO 或 IGCT) —起使用。
[0035]在图1a中所示的实施例中，辅助电容器(；在0(:电源DC(电容器C)的中点与主开关Gp和Gn之间的中点之间与电感器L2并联连接。图1a描述当没有电流经过LI时谐振电力变流器的操作。为迫使电压从+V到-V，即从+400V到-400V，需要通过谐振辅助切换电路AUX提供额外的电流。作为切换循环中的第一步骤，开关Gp关断使得电流停止从正导体Ia流出。在相导体e中的电压现在为正电压+V，并且无电流流动。开关Sp接通，闭合谐振电路，导致电容器(；通过开关Sp和二极管Dap放电，并且因此改变电感器L2上的电势差，产生供应给相导体e的电流。谐振辅助切换电路AUX因此供应强制电势，该强制电势实质上等于-V和+V之间的电压差的一半，从而感应出在电感器L2中的磁场，该磁场保持电流流过电感器，从而使得相导体e中的电势朝-V下降。借助于驱动电流的电感器L2，强制电势导致电压从+400V下降到-400V。当电压下降结束时，电流开始流过负二极管Dn。此时，负开关Gn上的电势差减小，使得Gn可在其两端没有任何电压的情况下进行切换。
[0036]图1b示出谐振电力变流器的在功能上等同的另选实施例。在图1b所示的电路中，辅助电容器(；在DC电源DC (电容器C)的中点N与辅助切换电路AUX之间与电感器L2串联连接。正如图la，图1b描述当无电流经过电感器LI时谐振电力变流器的操作。
[0037]图2示出第二替换方案，其中的目的是当电流流过LI时从+V切换到-V。正开关Gp关断，但是当LI拥有磁场时，其将继续驱动从二极管Dn流出并经过其中的电流12，使得主引线中的电压从+V下降到-V，因此降低开关Gn上的电压差，使得开关Gn能够以非常小的损耗进行切换。
[0038]图3a示出第三切换操作，其中当电流流过电感器LI时执行从-V到+V的切换。作为第一步骤，负开关Gn关断，导致由电感器LI驱动的电流13继续经过负二极管Dn (被指定为二级管电流Id)。Sp接通，从而闭合谐振辅助切换电路AUX对Cs放电，并借助电感器L2驱动辅助电流14，使得电压在主引线中上升，并且因此降低Gp上的电压差。当Gp上的电压接近零时，Gp接通并且电流IGp开始流过Gp并且Sp关断。经由辅助电路AUX所供应的电流，流动的电流13的电压因此从-V转变成+V，使得在切换循环结束时，电流流过正主开关Gp。
[0039]因为谐振辅助切换电路AUX向图1a和3a中的电路供应充足的强制电势，使得相导体