转换器设备和装备有这样的设备的不间断电源的制作方法

专利名称：转换器设备和装备有这样的设备的不间断电源的制作方法
转换器设备和装备有这样的设备的不间断电源
背景技术：
本发明涉及例如用在不间断电源中的诸如逆变器之类的转换器的领域，具体地说 用在大功率不间断电源中的转换器，即具有一般包括在大约IOOkVA和500kVA之间的功率。本发明更具体地涉及一种转换器设备，使得能够通过对基于参考电压线REF上和 分别来自于两个开关单元UCl、UC4的符号相反的两个DC电压输入端P、N上的可用的三个 基本DC电压-UAaUREFWA的、在调制信号输出端SM上获得的脉冲进行滤波来提供AC电 压VS和电流IS，每个开关单元包括开关输出端S1、S4，以提供脉冲，该脉冲的幅度在所述开 关单元的第一开关状态中所述开关单元的输入端上的电压和所述开关单元的第二开关状 态中所述参考电压线上的电压之间变化，每个开关单元包括连接在所述开关单元的输入端 和开关输出端Si、S4之间的第一开关Tl、T4，以通过导通所述第一开关建立所述第一开关 状态，对于每个开关单元，所述设备包括与所述开关单元有关的第二开关T2、T3，连接在所 述开关单元和所述调制信号输出端之间以通过导通所述第二开关激活所述开关单元。本发明还涉及不间断电源101，包括施加AC输入电压的电源输入端102、连接到 所述输入端的整流器103、连接在所述整流器的输出端上的符号相反的两个基本DC电压 线、以及连接到所述基本DC电压线并且包括被设计为提供安全的电压的输出端107的逆变 器(106)。
背景技术：
正在发展逆变器以提高它们的效率并减少由开关频率(通常较低，大约几千赫 兹)产生的噪声干扰。关于这一点，已经表明了兴趣在于使用呈现几个电平(一般为三个 电平)上的拓扑的逆变器。参考图1，用参考标号1表示的根据现有技术的三电平逆变器在相线上提供AC电 压VS和电流IS。通过对基于参考电压线REF和连接到下面描述的开关单元的输入端P、N 的符号相反的两个电压源上的可用的三个基本DC电压电平-UAjREFWA的、在调制信号 输出端SM上获得的脉冲进行滤波来获得AC电压VS和电流IS。使用的滤波装置包括连接 在调制信号输出端SM和AC电压VS和电流IS输出端之间的电感器L。该滤波装置一般地 包括连接在AC电压VS输出端和与参考电压线REF呈现相同的电势的参考电压点之间的电 容器C(未示出)。图1所示的逆变器包括由控制单元(未示出)控制的两个开关单元UC1、UC4。开 关单元分别包括分别连接到正和负电压源的正DC电压输入端P和负DC电压输入端N。每 个开关单元UCl、UC4—侧连接到与所述输入端P、N中之一对应的电压源并且连接到参考电 压线REF，另一侧连接到调制信号输出端SM。每个开关单元UC1、UC4包括第一开关，具有连 接在所述开关单元的电压输入端P、N和调制信号输出端SM之间的晶体管Tl、T4。在开关 单元UCl、UC4的晶体管Tl、T4导通时，调制信号输出端SM上的电压基本上等于所述开关 单元的电压输入端P、N的DC电压+UA、-\Sll。晶体管Tl、T4的导通状态对应于开关单元 UCl、UC4的第一开关状态。在此第一开关状态中，晶体管Tl、T4可以将功率从输入端P、N 传送到调制信号输出端SM。当晶体管T1、T4截止时，在下面描述的第二开关Τ2、Τ3使得调制信号输出端SM上的电压能够切换到基本上等于参考电压的值，其对应于开关单元UC1、 UC4的第二开关状态。对于每个开关单元UC1、UC4，图1所示的逆变器进一步包括以上所述的第二开关。 此第二开关具有连接在所述开关单元和调制信号输出端SM之间的晶体管T2、T3。每个开 关单元UC1、UC4的晶体管T2、T3在导通时实质上根据AC电压VS的符号激活了所述开关单 元的开关。当AC电压VS与所述开关单元的输入端P、N上可用的电压具有相同的符号时， 其中每个开关单元UC1、UC4的晶体管Τ2、Τ3激活了所述开关单元从第一开关状态到第二开 关状态的切换。每个开关单元UCl、UC4进一步包括连接在参考电压线REF和调制信号输出端SM 之间的二极管DH、DB。更确切地说，每个开关单元的晶体管T2、T3和二极管DH、DB串联连 接在参考电压线REF和调制信号输出端SM之间。每个开关单元UC1、UC4的二极管DH、DB 使得能够在晶体管Τ1、Τ4截止时从第一开关状态切换到第二开关状态。当晶体管Τ2、Τ3导 通时，此与晶体管Τ1、Τ4的截止有关的第二开关状态使得能够在调制信号输出端SM上获得 基本上等于参考电压UREF的电压。用这种方法，当所述开关单元被激活时，每个开关单元 UCl、UC4的晶体管Tl、Τ4在调制信号输出端SM上提供幅度在所述开关单元的第一开关状 态中所述开关单元的输入端上的电压的值和所述开关单元的第二开关状态中参考电压线 上的电压的值之间变化的脉冲。值得注意的是，这些脉冲呈现与涉及的开关单元的电压输 入端P、N上可用的电压相同的符号。第一和第二开关的晶体管Tl、Τ2、Τ3、Τ4 一般是通常用在电子功率开关中的绝缘 栅双极型晶体管IGBT。这些开关中的每一个包括二极管D1、D2、D3、D4，与所述开关单元的 晶体管T1、T2、T3、T4并联连接，并且其方向是在所述晶体管被反向偏置时导通。在无功阶 段期间，即当AC电压VS和AC电流IS具有相反的符号时，这些二极管Dl、D2、D3、D4使能 转换器设备的操作。当实施图1的转换器设备时，当开关单元UCl的第一开关Tl断开时，即当所述第 一开关的晶体管Tl截止时，开关单元UC4的第一开关Τ4的断开导致第一开关Tl的端子处 的电压降基本上等于开关单元UC1、UC4的输入端P、N之间的电势差U。这意味着不得不选 择第一开关T1、T4的晶体管的额定电压高于此电势差U。在每个输入端Ρ、Ν和参考线之间 的电势差U/2大于300伏的情况下，第一开关，即晶体管Τ1、Τ4因此不得不具有高于600伏 的额定电压，即一般1200伏的额定电压。参考根据现有技术的图2，参考标号11表示的三电平逆变器实质上包括与图1所 示的三电平逆变器相同的元件，但是不同地布置这些元件。与图1所示的逆变器1相比较， 逆变器11使得能够降低第一开关Τ1、Τ4的额定值。在此设置中，不同地布置开关单元UC1、 UC4，并且开关单元UC1、UC4包括与调制信号输出端SM不同的开关输出端Si、S4。每个开 关单元UC1、UC4的第一开关，即晶体管T1、T4连接在所述开关单元的输入端P、N和开关输 出端S1、S4之间。通过闭合第一开关，即通过导通所述第一开关的晶体管T1、T4，建立第一 开关状态。每个开关单元UCl、UC4的二极管DH、DB连接在参考电压线REF和所述开关单 元的开关输出端Si、S4之间，以在第一开关断开时，即在第一开关的晶体管Tl、Τ4截止时， 建立第二开关状态。从而当第一开关Tl、Τ4发生断开时，每个开关单元UC1、UC4的二极管 DH、DB使得能够在所述开关单元的开关输出端S1、S4上建立等于参考电压的电压。与开关单元UC1、UC4有关的第二开关T2、T3连接在所述开关单元和调制信号输出端SM之间，并且 使得能够通过导通所述第二开关来激活所述开关单元。更确切地说，与开关单元UC1、UC4 有关的第二开关Τ2、Τ3连接在所述开关单元的开关输出端Si、S4和调制信号输出端SM之 间。激活开关单元的意思是将脉冲从所述开关单元的开关输出端S1、S4传送到调制信号输 出端SM。当图2的逆变器的开关单元UC1、UC4处于与第一开关T1、T4的闭合对应的第一开 关状态时并且当通过导通第二开关Τ2、Τ3激活所述开关单元时，第一开关Tl、Τ4将在所述 开关单元的输入端Ρ、Ν上可用的功率传送到调制信号输出端SM。但是，此功率不仅经由第 一开关Τ1、Τ4而且经由第二开关Τ2、Τ3传送。这使得在第一开关状态的整个过程期间保持 这两个元件中的电压降，这引起随之而来的功率损耗。美国专利US 6，838，925描述了与图2所示的转换器设备呈现相似的结构的逆变 器，其中第一开关具有比用在图1和2所示的逆变器中的晶体管更好的开关性能的MOS场 效应晶体管。但是，这类晶体管不适合于传送包括在100和500kVA之间的功率。此外，这 样的设备的实施也引起由在DC电压输入端和调制信号输出端之间的功率传送期间第一和 第二开关二者中的电压降产生的功率损耗。

发明内容
本发明的目的是通过提供一种转换器设备来提供一种对现有技术的逆变器的问 题的解决方案，该转换器设备使得能够通过对基于在参考电压线上和分别来自于两个开关 单元的符号相反的两个DC电压输入端上的、可用的三个基本DC电压而在调制信号输出端 上获得的脉冲进行滤波来提供AC电压和电流，每个开关单元包括开关输出端，以提供脉 冲，该脉冲的幅度在所述开关单元的第一开关状态中所述开关单元的输入端上的电压和所 述开关单元的第二开关状态中所述参考电压线上的电压之间变化，每个开关单元包括连接 在所述开关单元的输入端和开关输出端之间的第一开关，以通过闭合所述第一开关建立所 述第一开关状态，对于每个开关单元，所述设备包括与所述开关单元有关的第二开关，连接 在所述开关单元和所述调制信号输出端之间以通过闭合所述第二开关激活所述开关单元， 所述转换器设备的特征在于，对于每个开关单元，它包括连接在所述开关单元的输入端和 该调制信号输出端之间的第三开关，所述第一开关被控制以使得在一个方向或另一个方向 上从第一开关状态切换到第二开关状态，保持所述第三开关断开，在所述第一开关状态的 持续时间的至少一部分期间控制所述第三开关闭合。每个开关单元优选地进一步包括连接在该参考电压线和所述开关单元的开关输 出端之间的二极管，以在第一开关断开时建立第二开关状态。可替换地，每个开关单元进一步包括连接在该参考电压线和所述开关单元的开关 输出端之间的第四开关，以在第一开关断开时建立第二开关状态。有利地，每个开关单元的 第四开关具有晶体管和与所述晶体管并联连接的二极管，该二极管的方向是在所述晶体管 被反向偏置时导通。与每个开关单元有关的第二开关优选地布置在所述开关单元的开关输出端和该 调制信号输出端之间。第一、第二和第三开关优选地包括晶体管。有利地，第一、第二和第三开关包括分别与所述开关的每一个晶体管并联连接的二极管，这些二极管的方向是在所述晶体管被反 向偏置时导通。根据一个实施例，第一、第二和第三开关的晶体管是绝缘栅双极型晶体管IGBT。根据一个实施例，第一开关的晶体管是碳化硅场效应晶体管，并且第二和第三开 关包括分别与所述开关的每一个晶体管并联连接的二极管，这些二极管的方向是在所述晶 体管被反向偏置时导通。根据一个实施例，每个开关单元的第一开关的晶体管是MOS场效应晶体管，与所 述开关单元有关的第二开关包括与所述第二开关的晶体管并联的几个串联连接的二极管， 这些二极管的方向是在所述晶体管被反向偏置时导通。根据一个实施例，该转换器设备包括连接在参考电压线和调制信号输出端之间的 第五开关。该第五开关优选地包括串联连接的两个MOS场效应晶体管，它们的方向是在相 反方向上传导电流，对于所述两个晶体管的每一个，所述第五开关包括与所述晶体管并联 连接的二极管，该二极管的方向是在所述晶体管被反向偏置时导通。对于每个开关单元，该转换器设备优选地包括-第一控制装置，作用于所述开关单元的第一开关，以在一个方向或另一个方向上 闭合或断开所述第一开关以从第一开关状态切换到第二开关状态，保持该第三开关断开，-第二控制装置，作用于所述开关单元的第三开关以在从第二开关状态切换到第 一开关状态之后闭合所述第三开关。本发明还涉及不间断电源，包括施加AC输入电压的电源输入端、连接到所述输 入端的整流器、连接在所述整流器的输出端上的符号相反的两个基本DC电压线、连接到所 述基本DC电压线并且包括被设计为提供安全的电压的输出端的逆变器，所述电源的特征 在于，所述逆变器是根据上文所述的设备并且从基本DC电压提供安全的AC电压。


通过下面对本发明的特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更明显，这些特 定实施例仅仅用于非限制性示例的目的给出并且表示在附图中。图1表示根据现有技术的转换器设备。图2表示根据现有技术的另一个转换器设备。图3表示根据本发明的转换器设备的第一实施例。图4表示根据本发明的转换器设备的控制单元。图5A到5F表示在根据本发明的转换器设备的不同的点处的控制信号、电压和电 流的时间变化。图6表示根据本发明的转换器设备的第二实施例。图7表示根据本发明的转换器设备的第三模式实施例。图8表示根据本发明的转换器设备的第四实施例。图9表示根据本发明的转换器设备的第五实施例。图10表示包括根据本发明的转换器设备的不间断电源。
具体实施例方式参考图3，用参考标号21表示的转换器设备包括与图2所示的逆变器相同的元件， 并且以同样的方式指代这些元件。对于开关单元UCl、UC4的每一个，转换器设备21进一 步包括连接在所述开关单元的输入端P、N和调制信号输出端SM之间的第三开关TX1、TX4。 更确切地说，第三开关ΤΧ1、ΤΧ4直接连接在所述开关单元的输入端P、N和调制信号输出端 SM之间。第一、第二和第三开关每个具有晶体管。在下文中，为了更清楚，开关将能够用和 它们包括的晶体管一样的方式来指代。在图3所示的实施例中，第一、第二和第三开关的晶体管Tl、Τ2、Τ3、Τ4、TXU ΤΧ4 是绝缘栅双极型晶体管IGBT。每个开关包括二极管D1、D2、D3、D4、DX1、DX4，与所述开关的 晶体管Tl、T2、T3、T4、TX1、TX4并联连接，并且其方向是在所述晶体管被反向偏置时导通。 在无功阶段期间，即当AC电压VS和AC电流IS具有相反的符号时，这些二极管D1、D2、D3、 D4、DX1、DX4使能转换器设备的操作。控制每个控制单元UC1、UC4的第一开关T1、T4以便在一个方向或另一个方向中从 第一开关状态切换到第二开关状态，保持第三开关ΤΧ1、ΤΧ4断开。控制每个控制单元UC1、 UC4的第三开关ΤΧ1、ΤΧ4闭合以便在所述开关单元处于第一开关状态的时间的至少一部分 期间在输入端P、N和调制信号输出端SM之间传送功率。用这种方法，通过第三开关ΤΧ1、 ΤΧ4的功率的传送伴随有仅仅在所述第三开关的端子处的电压降。通过第三开关ΤΧ1、ΤΧ4 在第一开关状态的持续时间的大部分期间执行功率传送，从而通过仅仅获得一个开关而不 是两个开关中的电压降来降低功率损耗。此外，晶体管ΤΧ1、ΤΧ4的开关动作在几乎零电压下执行，因此这些晶体管的开关 功率损耗非常低。因此，此特征使得晶体管ΤΧ1、ΤΧ4和/或这些晶体管的冷却装置的尺寸 能够变小。有利地，控制装置被设计为在导通晶体管ΤΧ1、ΤΧ4之前导通晶体管Tl、Τ4。当 晶体管ΤΧ1、ΤΧ4导通时，因此他们的端子处的电压几乎为零，大约几伏。相同的理由应用于 晶体管ΤΧ1、ΤΧ4的截止，其在晶体管Tl、Τ4的截止之前执行。下面参考图4描述用于控制第一、第二和第三开关Τ1、Τ2、Τ3、Τ4、ΤΧ1、ΤΧ4的控制 单元的示例。根据脉宽调制信号F1、F2控制第一、第二和第三开关的晶体管。后者可以通过 微控制器上实施的软件获得。脉宽调制信号F1、F2—般是高频信号，例如高达大约100kHz。 一般根据AC电压VS确定脉宽调制信号F1、F2。图4表示布置在脉宽调制信号F1、F2的输 入端和晶体管Tl、T2、T3、T4、TXU TX4的控制输入端之间的处理模块。施加于晶体管Tl、 T2、T3、T4、TX1、TX4的控制输入端的控制信号是与脉宽调制信号Fl、F2相同方式的离散逻 辑信号，即具有能够等于零或一的幅度的信号。当施加在晶体管的控制输入端上的控制信 号的幅度等于零时，所述晶体管截止，并且当此幅度等于一时，所述晶体管导通。至于涉及的第一开关的晶体管T1、T4的控制，脉宽调制信号F1、F2分别通过逻辑 析取模块，即逻辑“或(OR) ”模块分别施加于晶体管T1、T4的控制输入端。当AC电压VS分 别为正负时，晶体管Τ1、Τ4的导通分别在开关输出端S1、S4上提供电压，其电压幅度分别等 于与开关单元UC1、UC4的第一开关状态对应的正DC电压+UA、负DC电压-υΛ。以同样的 方式，当AC电压VS分别为正负时，晶体管Tl、Τ4的截止分别使得二极管DH、DB导通，分别 在开关输出端S1、S4上提供电压，其电压幅度等于零，其对应于开关单元UC1、UC4的第二开 关状态。从而，分别施加于晶体管Tl、T4的导通和截止的演替使得能够分别在开关输出端Si、S4上获得幅度基本上等于DC电压U/2且分别具有正、负符号的可变宽度的脉冲。至于涉及的每个开关单元UC1、UC4的第二开关的晶体管T2、T3的控制，它被设计 为根据导通所述晶体管的AC电压VS的符号激活所述开关单元的开关动作。更确切地说， 每个开关单元UC1、UC4的晶体管T2、T3使得在AC电压VS具有与所述开关单元的输入端P、 N上可用的电压相同的符号时能够将脉冲从所述开关单元的开关输出端S1、S4传送到转换 器设备的调制信号输出端SM。为此，控制单元包括分别连接在脉宽调制信号F1、F2的输入 端和晶体管T3、T2的控制输入端之间的反相开关23和反相开关25。用这种方法，脉宽调制 信号Fl、F2在分别被施加于晶体管Τ3、Τ2的控制输入端之前被反相。因而，当AC电压VS 分别为正、负时，脉宽调制信号F2、Fl分别等于零，因此分别来自于反相开关23、25的输出 端上的控制信号等于一。这导致当AC电压VS为正时晶体管Τ2导通，以使得开关单元UCl 的开关输出端Sl连接到调制信号输出端SM。以同样的方式，当AC电压VS为负时，晶体管 Τ3导通，以使得开关单元UC4的开关输出端S4连接到调制信号输出端SM。通过这些反相 器23、25，可以在调制信号输出端SM上提供可变宽度的脉冲，该脉冲具有基本上等于DC电 压U/2的幅度并且具有与AC电压VS的符号相同的符号。换句话说，当AC电压VS的符号 与所述开关单元的电压输入端上可用的电压的符号相同时，这些反相开关23、25使得开关 单元UC1、UC4的开关输出端Si、S4能够连接到调制信号输出端SM。从而通过电感器L和 电容器(未示出)对在调制信号输出端SM上获得的这些脉冲的连续的滤波使得能够提供 具有定义的形状(例如正弦波)的AC电压VS。至于涉及的每个开关单元UC1、UC4的第三开关的晶体管TX1、TX4的控制，它被设 计为在从第一开关状态到第二开关状态的切换期间保持所述第三开关断开，并且在所述第 一开关状态的持续时间的至少一部分期间闭合所述第三开关。为此，脉宽调制信号Fl、F2 分别通过逻辑乘模块27、29，即逻辑“与(AND) ”模块，施加于晶体管TX1、TX4的控制输入 端。关于晶体管TX1，逻辑乘模块27的输入端之一直接连接到脉宽调制信号Fl的输入端， 并且所述逻辑模块的另一个输入端通过延迟模块31连接到脉宽调制信号Fl的输入端，所 述延迟模块在所述信号的前沿期间激活。以同样的方式，关于晶体管TX4，逻辑乘模块四的 输入端之一直接连接到脉宽调制信号F2的输入端，并且所述逻辑模块的另一个输入端通 过延迟模块33连接到脉宽调制信号F2的输入端，所述延迟模块33也在所述信号的前沿期 间激活。用这种方法，当脉宽调制信号F1、F2分别从零切换到一时，第一开关的晶体管Tl、 T4分别导通，其分别对应于从开关单元UC1、UC4的第二开关状态到第一开关状态的开关动 作。在此时间期间，第三开关的晶体管TX1、TX4分别通过延迟模块31、33和逻辑乘模块27、 29分别处于保持截止的第一阶段。在与延迟模块31、33的延迟对应的时间段之后，分别在 逻辑乘模块27、29的两个输入端上的信号的幅度等于一，并且第三开关的晶体管ΤΧ1、ΤΧ4 分别导通。第三开关的晶体管ΤΧ1、ΤΧ4的阻抗低于由与第二开关的晶体管Τ2、Τ3串联的第 一开关的晶体管Tl、Τ4形成的电路中的阻抗，因此DC电压输入端P、N和调制信号输出端 SM之间的电流的大部分经由第三开关的晶体管ΤΧ1、ΤΧ4流动。因此，在输入端Ρ、Ν和调制 信号输出端SM之间的功率传送在最小的电压降的情况下发生。因而，第三开关的使用使得 能够显著降低功率损耗。在图4所示的实施例中，开关单元UC1、UC4的第一开关的晶体管T1、T4的控制分别通过连接在脉宽调制信号F1、F2的输入端和用41、43表示的逻辑析取模块的输入端之一 之间的单稳态模块35、37执行，所述逻辑析取模块的另一个输入端直接连接到脉宽调制信 号F1、F2的输入端。单稳态模块35、37在脉冲宽度调制信号F1、F2的后沿期间激活，并且 使得它的输出端的状态能够在预定义的时间延迟之后改变。用这种方法，当脉宽调制信号 F1、F2分别从一切换到零时，第一开关的晶体管T1、T4在预定义的时间延迟之后分别截止， 以使能分别从开关单元UCl、UC4的第一开关状态切换到第二开关状态的开关动作。在此时 间期间，第三开关的晶体管TX1、TX4分别由于逻辑乘模块27J9而截止。从而，通过第一开 关的晶体管Tl、Τ4执行在一个方向或另一个方向中的从第一开关状态到第二开关状态的 切换，而同时保持第三开关的晶体管ΤΧ1、ΤΧ4断开。用这种方法，第一开关Tl、Τ4专用于 在一个方向或另一个方向上的切换，即从第一开关状态变化到第二开关状态，而第三开关 TXU ΤΧ4专用于在第一开关状态的持续时间的大部分期间在DC电压输入端P、N和调制信 号输出端之间的功率传送。参考图5Α到5F，下面描述图3所示且与图4所示的控制单元有关的转换器设备的 操作。此操作的描述实质上涉及开关单元UCl从第一开关状态到第二开关状态的切换和从 第二开关状态到第一开关状态的切换，即当开关单元UCl被激活时。本领域技术人员可以 容易地将开关单元UCl的操作的此描述移置到开关单元UC4的操作中。当开关单元UCl被激活时，脉宽调制信号F2的幅度等于零，并且与所述开关单元 有关的第二开关的晶体管Τ2通过反相开关25导通。与开关单元UC4有关的第二开关的晶 体管Τ3通过反相开关23截止，并且所述开关单元因此被禁止。只要脉宽调制信号Fl的幅度等于一，第一开关的晶体管Tl和第三开关的晶体管 TXl就导通(图5Α、5Β和5C)。在开关单元UCl的开关输出端Sl上的电压的值基本上等于在所述开关单元的输 入端P上的电压U/2的值，其对应于所述开关单元的第一开关状态。在DC电压输入端P和 调制信号输出端SM之间，由于第三开关的晶体管TXl的阻抗低于第一和第二开关的两个串 联连接的晶体管Τ1、Τ2的阻抗的事实，因此大部分电流流经第三开关的晶体管ΤΧ1。这导致 流入第三开关TXl的电流ITXl (图5Ε)远高于流入第一晶体管Tl的电流ITl (图6Ε)。与 晶体管(即，实质上第三开关的晶体管TXl)中的电压降有关的功率损耗与图2所示的类型 的设备相比降低了，在图2中，DC电压输入端P和调制信号输出端SM之间的全部电流流入 晶体管Tl和Τ2 二者。在时间Tl，脉宽调制信号Fl的幅度从一变为零，并且由于逻辑乘模块27的输入 端之一变为零的事实，因此第三开关的晶体管TXl截止(图5Α和5Β)。第一开关的晶体管 Tl的截止通过单稳态模块35和析取模块41而被延迟到时间t2 (图5C)。这导致流入第三 开关的晶体管TXl的电流ITXl (图5E)减小，而流入第一开关的晶体管Tl的电流ITl (图 5F)增大。在时间t2之前，DC电压输入端P和调制信号输出端SM之间的几乎所有电流流 过晶体管Tl (图5F)。在开关单元UCl的开关输出端Sl上的电压仍然基本上等于在所述开 关单元的输入端P上的电压U/2，其对应于所述开关单元的第一开关状态。从第一开关状态 到第二开关状态的切换将通过第一开关的晶体管Tl实现，而第三开关的晶体管TXl已被预 先截止。应当注意，时间Tl和t2之间的时间段非常短，大于一微秒。此外，单稳态模块35、
137构成用于保证在从第一开关状态到第二开关状态的切换期间第三开关TXl事实上断开 的简单装置。但是，在此简单和说明性的实施例中，在从开关单元UC1、UC4的第一开关状态 到第二开关状态的切换和脉宽调制信号F1、F2的过零点之间存在交错(stagger)。此交错 产生开关状态和脉宽调制信号Fl、F2之间的失真。在没有示出的其它实施例中，单稳态模 块35、37可以被包括计数器、递减计数器和比较器的装置代替，该装置使得能够在脉宽调 制信号F1、F2的后沿之前在时间tl预期第一开关的晶体管T1、T4的截止，这使得第一开关 的晶体管Τ1、Τ4的截止次序能够与所述脉宽调制信号F1、F2同步。这样的控制装置可以由 肩负防止第一开关的晶体管Tl、T4的截止次序和脉宽调制信号Fl、F2之间的失真的问题 的本领域技术人员确定。这样的控制单元的实施将导致脉宽调制信号F1、F2的幅度在时间 tl而不是在时间t2从一变为零，而不用修改图5A到5F所示的时序图的其余部分。在时间t2，第三开关的晶体管TXl截止，即第三开关断开，并且从第一开关状态到 第二开关状态的切换通过第一开关的晶体管Tl执行(图5C)。因此，第一开关的晶体管Tl 截止，并且消除了 DC电压输入端P和调制信号输出端SM之间的电流(图5F)。第一和第 三开关的晶体管T1、TX1的端子处的电压增大直到它达到基本上等于输入端P上的DC电压 U/2的值。与图1所示的逆变器的晶体管Tl的端子处的电压的值相比，第一和第二开关的 晶体管Tl和TXl的端子处的电压的值减小了，其将等于此第一值的两倍，即等于两个输入 端Ρ、Ν之间的电势差。这导致与图1所示的逆变器1的晶体管Tl的额定电压相比，转换器 设备21的晶体管Tl、TXl的额定电压减小了。在时间t3，而第三开关的晶体管TXl仍然截止，即第三开关断开，脉宽调制信号Fl 的幅度从零变为一，并且晶体管Tl由于析取模块41而导通(图5A和5C)。在开关单元UCl 的开关输出端Sl上的电压的值从零变为基本上等于在所述开关单元的输入端P上的电压 U/2的值，其对应于所述开关单元的第一开关状态。这导致电流ITl (图5E)经由第一开关 的晶体管Tl在DC电压输入端P和调制信号输出端SM之间流动。此电流ITl的流动引起 第一和第二开关的两个晶体管Tl和T2中的电压降。同时，当脉宽调制信号Fl的幅度从零 变为一时，延迟模块31被激活以延迟第三开关的晶体管TXl的导通。在与延迟模块31产生的延迟已经过去的时间对应的时间t4，第三开关的晶体管 TXl导通，即第三开关闭合。这导致大部分电流经由第三开关的晶体管TXl在DC电压输入 端P和调制信号输出端SM之间流动，这是由于它的阻抗低于串联连接的第一和第二开关的 两个晶体管的阻抗的事实。流入第三开关TXl的电流ITXl (图5E)变得远大于流入第一晶 体管Tl的电流ITl (图6E)，其对应于在前面描述的时间tl之前的情况。在下文中，描述根据本发明的转换器设备的可替换实施例。这些其它实施例的功 能实质上与上文描述的相同。在图6所示的转换器设备61中，第一开关的晶体管Tl、T4是MOS场效应晶体管， 其比用在图3所示的转换器设备21的第一开关T1、T4中的绝缘栅双极型晶体管IGBT呈现 更好的开关性能。在无功阶段期间，激活的开关单元UC1、UC4的第一、第二和第三开关的二 极管导通。截止时第一开关Tl、T4的MOS场效应晶体管的二极管Dl、D4的较差的性能引 起高的开关功率损耗。因此，消除在无功阶段期间流入二极管D1、D4的电流是有益的。为 此，在图6所示的实施例中，三个二极管D2、D' 2、D〃 2、D3、D' 3、D〃 3已经与每个开关 单元UC1、UC4的第二开关的晶体管T2、T3并联连接，并且方向是在所述晶体管被反向偏置时导通。用这种方法，在无功阶段期间，第二开关的二极管D2、D3中的电压降大于第三开关 的二极管DX1、DX4中的电压降。这导致整个无功电流经由第三开关的二极管DX1、DX4在调 制信号输出端SM和DC电压输入端P、N中的一个或另一个之间流动。另一个优点是，在无 功阶段期间，由于布线引起的寄生电感减小，其限制晶体管T2、T3截止时的瞬变电压电涌。 在无功阶段期间，电流事实上流入二极管DX1、DX4。在根据现有技术的图2的转换器设备 中，当第一开关单元UCl被激活时，电流由两个二极管Dl、D2而不是一个二极管传导，并且 当第二开关单元UC4被激活时，电流由D3、D4传导。在图7所示的转换器设备71中，第一开关的晶体管Τ1、Τ4是由碳化硅制成的场效 应晶体管。二极管DH、DB也由碳化硅制成。此外，与晶体管Tl、Τ4并联连接的二极管D1、 D4已被去掉。在未示出的其它实施例中，由碳化硅制成的二极管D1、D4可以与晶体管Tl、 T4有关。与MOS场效应晶体管相比，由碳化硅制成的场效应晶体管的使用使得能够提高开 关速度、提高耐压并且消除所述晶体管的固有寄生二极管。此外，在图7的设置中的场效应 晶体管的位置使得能够使用常开类型的晶体管或常断类型的晶体管。在图8所示的转换器设备81中，第一开关的晶体管T1、T4是绝缘栅双极型晶体管 IGBT0此外，二极管DH和DB已被第四开关替代，所述第四开关中的每一个包括绝缘栅双极 型晶体管IGBT Τ5、Τ6和与所述晶体管并联连接的二极管D5、D6，二极管的方向是在所述晶 体管被反向偏置时导通。用和晶体管T2、T3 —样的方法，晶体管Τ5、Τ6的额定电压等于图 3所示的转换器设备21的晶体管Τ2、Τ3的额定电压的一半。晶体管Tl、Τ4、Τ5、Τ6、ΤΧ1、ΤΧ4 —般以开关频率进行开关动作并且根据与在转换 器设备21的情况下相同的原理工作。与转换器设备21不同的是，晶体管Τ2、Τ3不再以开 关频率进行开关动作而是工作在转换模式，即它们以输出电压VS的频率进行开关动作，其 一般等于50到60Hz。转换器设备81的优点之一是，由于标准功率模块，因此它便于功率倾斜 (ramping)。包括每个开关单元UC1、UC4的第一开关Tl、T4和第四开关T5、T6的组件事实 上基本上由传统的半桥电源模块形成。相同的是组件包括每个开关单元UCl、UC4的第二开 关T2、T3和第三开关TXl、TX4的情况。因为每个开关单元UCl、UC4的第四开关T5、T6在 电流上是双向的，所以在任一方向上在DC电压输入端P、N和参考电压线REF之间的切换基 本上在电源模块中执行，对于有功阶段和无功阶段均为如此。从而减小了执行开关动作的 电路的尺寸，并且与寄生电感和强电流有关的电压电涌的存在得到了较好的控制并且被限 制在仅仅使用两个开关，即第一开关Tl、T4和第四开关T5、T6的单个开关模块中。图8所示的转换器设备81也使得不同的半导体元件(功率因子和输出电压VS可 变)中的损耗的分布均勻，如在标准的不间断电源中、在诸如可变频率和/或电压调节器的 电动机应用中的情况一样。在图9所示的转换器设备91中，第五开关TX2、TX3连接在参考电压线REF和调制 信号输出端SM之间。此第五开关包括串联连接的两个MOS场效应晶体管ΤΧ2、ΤΧ3，它们的 方向是在相反方向上传导电流，对于所述两个晶体管的每一个，所述第五开关包括与所述 晶体管并联连接的二极管DX2、DX3，这些二极管的方向是在所述晶体管被反向偏置时导通。 控制晶体管TX2、TX3以增强第二开关的晶体管Τ2、Τ3的开关动作。图9所示的转换器设备91使得在负载的功率因子非常不同的应用中，例如在无功功率补偿器和在有源滤波器中，能够降低开关损耗。到每个开关单元UC1、UC4的第二开关 的晶体管T2、T3的闭合的切换在所述开关单元的第五开关的晶体管ΤΧ2、ΤΧ3的闭合之前。 在每个开关单元UC1、UC4的第二开关的晶体管T2、T3断开时，所述开关单元的第五开关的 晶体管ΤΧ2、ΤΧ3在第二开关Τ2、Τ3的开关工作发生的时间期间保持闭合，然后断开。从而， 利用了在导通期间MOS场效应晶体管的开关性能和IGBT晶体管的小的电压降的优点。如上所述的转换器设备可被用在如图10所示的不间断电源101中。此不间断电源 包括电源输入端102，来自于第一三相电源系统的可变输入电压施加于该电源输入端102 上。不间断电源包括整流器103，所述整流器一方面连接到电源输入端102，另一方面连接 到两个基本DC电压输出端线104或总线。不间断电源包括与上文描述的转换器设备之一 对应的逆变器106，所述逆变器连接在输出端线104和输出端107之间，被设计为将安全的 三相AC电压提供给负载。DC电压总线104也经由DC/DC转换器110连接到电池109。从图10可以看出，在第一三相电源系统的电源输入端102和也是三相的第二电源 系统的电源输入端113之间的选择可以通过静态开关111和112做出。从而，可以由不间断 电源101经由第一安全的电源系统向负载供电，并且如果需要的话切换到第二电源系统。
权利要求
1.一种转换器设备，使得能够通过对基于在参考电压线(REF)上和分别来自于两个开 关单元(UC1、UC4)的符号相反的两个DC电压输入端(P、N)上的、可用的三个基本DC电压 (-U/2, UREF, U/2)在调制信号输出端(SM)上获得的脉冲进行滤波来提供AC电压(VS)和 电流(IS)，每个开关单元包括开关输出端(S1、S4)，以提供脉冲，该脉冲的幅度在所述开关单元的 第一开关状态中所述开关单元的输入端上的电压和所述开关单元的第二开关状态中所述 参考电压线上的电压之间变化，每个开关单元包括连接在所述开关单元的输入端和开关输出端(Si、S4)之间的第一 开关(Tl、T4)，以通过闭合所述第一开关建立所述第一开关状态，对于每个开关单元，所述设备包括与所述开关单元有关的第二开关(T2、T3)，连接在所 述开关单元和所述调制信号输出端之间以通过闭合所述第二开关激活所述开关单元，其特征在于，对于每个开关单元，所述设备包括连接在所述开关单元的输入端(P、N) 和该调制信号输出端(SM)之间的第三开关(ΤΧ1、ΤΧ4)，所述第一开关被控制以使得在一个 方向或另一个方向上从第一开关状态切换到第二开关状态，保持所述第三开关断开，在所 述第一开关状态的持续时间的至少一部分期间控制所述第三开关闭合。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每个开关单元(UC1、UC4)进一步包括连 接在该参考电压线(REF)和所述开关单元的开关输出端(Si、S4)之间的二极管(DH、DB)， 以在第一开关(Τ1、Τ4)断开时建立第二开关状态。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每个开关单元(UC1、UC4)进一步包括连接 在该参考电压线(REF)和所述开关单元的开关输出端(Si、S4)之间的第四开关(T5、T6)， 以在第一开关(T1、T4)断开时建立第二开关状态。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，每个开关单元的第四开关具有晶体管 (Τ5、Τ6)和与所述晶体管并联连接的二极管(D5、D6)，该二极管的方向是在所述晶体管被 反向偏置时导通。
5.根据权利要求1到4中的任何一个所述的设备，其特征在于，与每个开关单元(UC1、 UC4)有关的第二开关(Τ2、Τ3)被布置在所述开关单元的开关输出端(Si、S4)和该调制信 号输出端(SM)之间。
6.根据权利要求1到5中的任何一个所述的设备，其特征在于，该第一、第二和第三开 关包括晶体管(Τ1、Τ2、Τ3、Τ4、ΤΧ1、ΤΧ4)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，该第一、第二和第三开关包括分别与所述 开关的晶体管(Τ1、Τ2、Τ3、Τ4、ΤΧ1、ΤΧ4)的每一个并联连接的二极管(Dl、D2、D3、D4、DX1、 DX4)，这些二极管的方向是在所述晶体管被反向偏置时导通。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，该第一、第二和第三开关的晶体管(Tl、 Τ2、Τ3、Τ4、ΤΧ1、ΤΧ4)是绝缘栅双极型晶体管IGBT。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，该第一开关的晶体管(Tl、Τ4)是碳化硅 场效应晶体管，并且该第二和第三开关包括分别与所述开关的晶体管(Τ2、Τ3、ΤΧ1、ΤΧ4)的 每一个并联连接的二极管(D2、D3、DXU DX4)，这些二极管的方向是在所述晶体管被反向偏 置时导通。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，每个开关单元(UC1、UC4)的第一开关的晶体管(T1、T4)是MOS场效应晶体管，与所述开关单元(UC1、UC4)有关的第二开关包括与 所述第二开关(Τ2、Τ;3)的晶体管并联的几个串联连接的二极管，这些二极管的方向是在所 述晶体管被反向偏置时导通。
11.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，它包括连接在该参考电压线(REF)和调 制信号输出端(SM)之间的第五开关。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，该第五开关包括串联连接的两个MOS场 效应晶体管(ΤΧ2、ΤΧ3)，它们的方向是在相反方向上传导电流，对于所述两个晶体管的每一 个，所述第五开关包括与所述晶体管并联连接的二极管(DX2、DX3)，这些二极管的方向是在 所述晶体管被反向偏置时导通。
13.根据权利要求1到12中的任何一个所述的设备，其特征在于，对于每个开关单元 (UC1、UC4)，它包括-第一控制装置(35、41、37、43)，作用于所述开关单元的第一开关(Tl、T4)，以闭合或 断开所述第一开关以在一个方向或另一个方向上从第一开关状态切换到第二开关状态，同 时保持该第三开关断开，-第二控制装置07、31、29、33)，作用于所述开关单元的第三开关(TX1、TX4)，以在从 第二开关状态切换到第一开关状态之后闭合所述第三开关。
14.一种不间断电源(101)，包括其上施加AC输入电压的电源输入端(102)、连接到 所述输入端的整流器(103)、连接在所述整流器的输出端上的符号相反的两个基本DC电压 线、连接到所述基本DC电压线并且包括被设计为提供安全的电压的输出端(107)的逆变器 (106)，其特征在于，所述逆变器是根据前述权利要求中的一个所述的转换器设备并且从基 本DC电压提供安全的AC电压。
全文摘要
用于在调制信号输出端(SM)上提供AC电压的转换器(21)包括两个开关单元(UC1、UC4)，每个具有DC电压输入端(P、N)和开关输出端(S1、S4)，以提供脉冲，该脉冲在第一开关状态中输入端上的电压和第二开关状态中参考电压之间变化，每个开关单元包括连接在该输入端和开关输出端之间的第一开关(T1、T4)，以建立所述第一开关状态，对于每个开关单元，所述设备包括连接在所述开关单元和所述调制信号输出端之间以激活所述开关单元的第二开关(T2、T3)，和连接在所述开关单元的输入端和该调制信号输出端之间的第三开关(TX1、TX4)。一种具有此转换器的不间断电源(101)。
文档编号H02M7/537GK102148583SQ20111003241
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月30日 优先权日2010年2月5日
发明者阿兰.拉卡诺伊 申请人:Mge Ups系统公司