高效率换向电路的制作方法

本发明涉及用于连续反转线圈中的电流方向的电路。

背景技术：

参考图1，传统的换向电路10包括具有四个主开关30、40、50、60的H桥20。电流方向要被反转的线圈70被连接在H桥20的第一输出端子80和第二输出端子85之间。H桥20的第一输入端子90和第二输入端子95被连接到提供恒定单元电流I_DC的电流源100。四个主开关被适当地操作，以使得线圈电流I_L在线圈中以期望的方向流动。例如，根据图1，第一主开关30和第二主开关40闭合，并且线圈电流I_L在附图中从左向右流动(正方向290)。为了反转线圈电流I_L以从右向左流动(负方向300)，第三主开关50和第四主开关60被闭合，并且第一和第二主开关30、40被断开。

主开关通常被实现为半导体器件。因为图1的换向电路拓扑要求所有主开关能够被主动断开，所以各个半导体器件需要具有关断类型，即具有可以被主动关断的类型。此外，半导体器件需要具有反向阻断能力。这样的半导体器件的示例是对称GTO和反向阻断IGBT。另一方面，晶闸管不是关断型半导体器件。因此，晶闸管在根据图1的拓扑中不能用作主开关，因为晶闸管仅在通过其的电流变为零或者接近零时关断。然而，与关断型半导体器件相比，晶闸管具有低损耗并且其是便宜的。因此，期望在换向电路的H桥中，能够使用晶闸管作为主开关。

WO2012/062376公开了一种用于反转在电机的线圈中的线圈电流的换向电路。换向电路包括布置为与线圈一起形成谐振电路的电容器。WO2012/062376中公开的H桥中的主开关需要具有关断类型，以便于使换向如所述的进行工作。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种换向电路，该电路能够使得能够使用晶闸管作为H桥的主开关。本发明的另一个目的是提供一种具有低损耗的换向电路，而不论何种类型的开关用作H桥中的主开关。

这些目的是通过根据所附权利要求1的设备以及根据所附权利要求11的方法来实现的。

本发明是基于下述认识：通过借助于电压源来生成适当的旁通电流，通过期望主开关处于导通状态(leading state)，开关电流可以被减少，并且最终成为零。在其线匝中的零电流使得能够使用晶闸管作为主开关，因为其在晶闸管中导致被自动关断。此外，在开关时刻减少的开关电流减少了甚至是在诸如GTO和IGBT的不同开关类型中的开关损耗。

根据本发明的第一方面，提供了一种换向电路，包括连接到H桥的线圈，H桥包括用于反转线圈中的极性和得到的线圈电流的四个主开关。换向电路进一步包括配置为生成旁通电流的电压源以及至少一个辅开关，用于控制所述旁通电流以由此减少通过所述主开关中的至少一个的开关电流。换向电路被配置为在不接通其余主开关中的任何一个的情况下，减少通过所述主开关中的至少一个的开关电流。可控制地减少通过主开关的开关电流的能力减少了开关损耗，并且提供了开关电流被充分减小也能够使得使用晶闸管作为主开关。

根据本发明的一个实施例，电压源被配置为生成旁通电流，以由此使所述开关电流成为零。零开关电流导致晶闸管以可靠的方式被自动关断。

根据本发明的一个实施例，电压源包括电容器。通过电容器，可以以简单的方式来提供所需要的电压。

根据本发明的一个实施例，线圈电流至少部分地从由电流源生成的单元电流得到，并且所述单元电流进一步用于对所述电容器进行预充电。当单元电流用于预充电电容器时，不需要附加的预充电电路。

根据本发明的一个实施例，主交换机中的至少一个包括晶闸管。晶闸管是在换向电路中的优选主开关类型，因为晶闸管简单、便宜并且具有低损耗。

根据本发明的一个实施例，所有主开关是晶闸管。

根据本发明的一个实施例，所有辅开关是晶闸管。

根据本发明的一个实施例，电压源与主开关中的至少一个并联连接。

根据本发明的一个实施例，电压源与线圈串联连接。

根据本发明的一个实施例，电机包括根据上述公开的实施例中的任何一个的换向电路。

根据本发明的第二个方面，提供了一种用于反转线圈中的电流方向的方法，该方法包括下述步骤：提供连接到H桥的线圈，H桥包括四个主开关；以及生成旁通电流，并且对其进行控制以由此在不接通其余主开关中的任何一个的情况下，减少通过所述主开关中的至少一个的开关电流。

附图说明

参考附图来更具体地描述本发明，其中

图1示出了常规换向电路，

图2示出了根据本发明的一个实施例的换向电路，

图3示出了根据本发明的一个实施例的换向电路，

图4示出了根据本发明的一个实施例的换向电路，

图5示出了根据本发明的一个实施例的换向电路，

图6示出了本发明的根据一个实施例的换向电路，以及

图7示出了在换向的不同阶段处可以相对于H桥将电压源连接到的四个位置。

具体实施方式

本文公开的本发明的所有实施例包括对应于图1中所示的子电路中，唯一的区别是，根据本发明的所公开的实施例的主开关30，40，50，60中的至少一些被实现为晶闸管。在以下描述中，包括具有四个主开关30，40，50，60的H桥20、连接到H桥20的输出端子80、85的线圈70、以及连接到H桥20的输入端子90、95的电流源100的子电路将被称为“单元”

参考图2，除了包括晶闸管形式的四个主开关30，40，50，60的单元，根据本发明的一个实施例的换向电路10包括经由第一二极管120和第二二极管130与H桥20并联连接的电容器110形式的电压源。电容器110具有第一端子115和第二端子116。通过接通第一辅开关140和第二辅开关150，电容器110可以进一步连与H桥20反并联。根据图2的实施例，第一和第二辅开关140、150是每一个都设置有反并联二极管的IGBT。

在换向电路10的初始状态下，单元电流I_DC流过第一主开关30、线圈70和第二主开关40，线圈70中的线圈电流I_L在正方向290上流动并且与单元电流I_DC相等。电容器110已经经由第一二极管120被充电为在第一端子115上具有正极性。换向的目标是反转线圈电流I_L以流动通过第三和第四主开关50、60，并且在线圈70中以负方向300流动。在换向的第一阶段处，第一和第二辅开关140、150被接通，并且电容器110由此与H桥20反并联。结果，电容器电流I_C开始增加，并且线圈电流I_L开始减小。电容器110的尺寸应当被调整为大得足以使线圈电流I_L为零，并且当这发生时，第一和第二主开关30、40被自动关断，因为其开关电流(通过开关的电流)成为零。

在换向的第二阶段下，第一和第二辅开关140、150被关断，并且第一输入端子90由此再次成为经由二极管120与第一端子115接触，而使输出端子95成为经由二极管130与第二端子116接触。电容器110开始对第一端子115上的正极性再充电，并且第三和第四主开关50、60被接通。第三和第四主开关50、60的接通可以被延迟，以便于控制在换向结束时在电容器110上的能量的量。电容器110的再充电在第三和第四主开关50、60的接通之后继续进行，并且最终存储在电容器110上的能量变得足以用于下一次换向。换向的目标现在被实现，并且换向电路10处于与初始状态相同的状态，除了线圈电流I_L在负方向300上流动的事实。下一次换向现在可以以刚刚描述的换向相应的方式被执行。

参考图3，根据本发明的一个实施例，电容器110形式的电压源根据第三辅开关160、第四辅开关170、第五辅开关180和第六辅开关190的状态，被连接在第一输出端子80和第二输入端子95之间或者第二输出端子85和第二输入端子95之间。所有主开关30，40，50，60和辅开关160，170，180，190都是晶闸管。

在换向电路10的初始状态下，线圈电流I_L在正方向290上流动并且与单元电流I_DC相等。电容器110由预充电电路200预充电为在第一端子115上具有正极性。换向的目标是反转线圈电流I_L以在负方向300上流动。在换向的第一阶段下，第三主开关50和第三辅开关160被接通。结果，当对其施加负电压并且使开关电流为零时，第一主开关30被自动关断，并且该单元通过第三和第二主开关50、40被短路。

现在，电容器110与线圈70一起形成谐振电路，并且当电容器110上的电压改变极性并且最终存储谐振电路的所有能量时，由于电容器110的预充电而导致线圈电流I_L在下降到零之前略有增加。第四辅开关170被接通，以允许谐振继续，并且线圈电流I_L开始在负方向300上增加,并且最终变为与单元电流I_DC相等。当这发生时，第二主开关40将被自动关断，并且在电容器110上的电压改变极性时尽快接通第四主开关60。

换向的目标是现在已经达到，并且电容器110需要在下一次换向可以被执行之前，被预充电具有与初始相同的极性。刚刚描述的换向通过在第一输出端子80和第二输入端子95之间连接电容器110来执行。下一次换向以相应的方式被执行，唯一不同之处在于，通过适当地操作第五和第六辅开关180、190，电容器110现在被连接在第二输入端子85和第二输入端子95之间。

参考图4，根据本发明的一个实施例，换向电路10包括第一电容器110和第二电容器111的组合的形式电压源。第一电容器110使用单元电流I_DC来被预充电(例如，通过接通第十辅开关240和第二主开关40)，以在第一端子115上具有正极性并且在第二端子上116上具有负极性。第二电容器111包括第三端子117和第四端子118，并且其没有被预充电。第一电容器110的尺寸需要被调整为包含足够的能量的量来关断单个晶闸管，而第二电容器111的尺寸需要被调整为存储比单元电流I_DC处的线圈70稍微更多的能量。因此，第一电容器110通常比第二电容器111小得多。图4的换向电路10进一步包括第七辅开关210、第八辅开关220和第九辅开关230。所有的主开关30，40，50，60和辅开关210，220，230，240都是晶闸管。

在换向电路10的初始状态下，线圈电流I_L在正方向290上流动并且与单元电流I_DC相等。第一换向的目标是反转线圈电流I_L以在负方向300上流动。在第一次换向的第一阶段，第七辅开关210被接通。结果，使正预充电的第一端子115与第二输入端子95接触，并且在对第二主开关40施加负电压并且使开关电流为零时，第二主开关40被自动关断。第一电容器110的放电继续进行，直至其改变极性，在该时刻，第八辅开关220被接通。单元电流I_DC继续对第一和第二电容器110、111并行充电。该充电的持续时间可以被控制，使得适当的能量的量可在第一电容器110中用于完成换向。

在第一次换向的第二阶段，第四主开关60被接通，并且在线圈70与第一和第二电容器110、111之间的谐振开始。当第一和第二电容器110、111最终存储谐振电路的所有能量时，线圈电流I_L减小为零，并且第七和第八辅开关210、220自动关断。第四端子118和第二端子116二者在该过程结束时保持正极性，第二端子116的该极性将在后续第二次换向期间被使用。

在第一次换向的第三阶段，第九辅开关230导通，并且线圈电流I_L开始在负方向300上增加并且最终变为与单元电流I_DC相等。当这发生时，第一主开关30被自动关断，并且单元电流I_DC利用第三端子117上具有正极性继续对第二电容器111充电。一旦第二电容器111上的电压改变极性，第三主开关50被接通，这导致第九辅开关230被自动关断。第一次换向的目标现在被实现，并且第二次换向可以在需要时被执行。存储在第一电容器110中的电压在第二端子116上具有正极性，而存储在第二电容器111中的电压接近零。第二次换向的目标是再次反转线圈电流I_L以正方向290上流动。

在第二次换向的第一阶段，第十辅开关240被接通。第二端子116上的正极性在第三主开关50上施加负电压，第三主开关50在开关电流成为零时自动关断。第一电容器110的放电继续进行，直至其改变极性，在该时刻，第九辅开关230被导通，使得单元电流I_DC对第一和第二电容器110、111并行充电。该充电的持续时间可以被控制，使得适当的能量的量可在第一电容器110中用于完成换向。

在第二次换向的第二阶段，第一主开关30被接通，并且第一和第二电容器110、111现在与线圈70一起形成谐振电路。当线圈电流I_L到达零时，第九和第十辅开关230、240自动关断。由此，第一电容器110保持在第一端子115上具有正极性，并且第二电容器111在第三端子117上具有正极性。处于该阶段的单元通过第一和第四主开关30、60被短路，并且线圈电流I_L为零。

在第二次换向的第三阶段，第八辅开关220被接通。线圈电流I_L开始在正方向290上增加并且最终变为与单元电流I_DC相等。当这发生时，第四主开关60被自动关断，并且一旦第二电容器111上的电压改变极性，则第二主开关40被接通。这使得第八辅开关220被自动关断。第二次换向的目标现在被实现，并且当第一电容器110已经被与充电位如期望地具有与初始相同的极性时，下一次换向可以在期望时被执行。

与图3相比，根据图4的实施例中的显著优点是不需要单独的预充电电路200。相反，图4的换向电路10利用单元电流I_DC来对第一和第二电容器110、111进行预充电。

参考图5，根据本发明的一个实施例，根据第十一辅开关250和第十二辅开关260的状态，换向电路10包括连接在第二输出端子85和第二输入端子95之间或者第二输出端子85和第一输入端子90之间的电容器110形式的电压源。所有的主开关30，40，50，60和两个辅开关250，260是晶闸管。

在换向电路10的初始状态下，线圈电流I_L在正方向290上流动并且与单元电流I_DC相等。电容器110通过预充电电路200被预充电，以在第一端子115上具有正极性。预充电能量需要仅足够以关断单个晶闸管。因为根据图5的实施例，电容器110的尺寸需要被调整为存储比处于单元电流I_DC时的线圈70稍微更多的能量，预充电的能量仅仅是电容器110的电容一小部分。换向的目标是反转线圈电流I_L以在负方向300上流动。

在换向的第一阶段，第十一辅开关250被接通。结果，当对其施加负电压并且使开关电流为零时，第二主开关40被自动关断，并且线圈电流I_L开始对电容器110充电，从而第二端子116上为正电极。允许对该电容器110的充电继续将期望量的能量存储在电容器110中。在换向的第二阶段，第四主开关60被接通，并且因此通过第一和第三主开关30、60来短路该单元。电容器110现在与线圈70一起形成谐振电路，并且当电容器110最终存储谐振电路的所有能量时，线圈电流I_L减小为零。当这发生时，第十一辅开关250被自动关断。此时，电容器110应当包含足够的能量来完成换向的后面的阶段，即，即比处于单元电流I_DC的线圈70的能量稍微更多。

在换向的第三阶段，第十二辅开关260被接通，并且再次形成在电容器110和线圈70之间的谐振电路。线圈电流I_L开始在负方向300上增加，并且最终变为与单元电流I_DC相等。当这发生时，第一主开关30被自动关断，并且一旦电容器110上的电压改变极性，第三主开关50被接通，并且第十二辅开关260被自动关断。换向的目标现在被实现，并且在下一次换向可以以与刚刚描述的换向相对应的方式来被执行。电容器110需要在可以执行下一次换向之前被预充电为具有与初始相反的电极，并且下一次换向通过接通第十二辅开关260来发起。

参考图6，根据本发明的一个实施例，换向电路10包括与线圈70串联连接的电容器110形式的电压源。第十三辅开关270和第十四辅开关280与电容器110并联连接，两个辅开关270、280关于彼此反并联。第一和第三主开关30，50以及两个辅开关270，280是的GTO，并且第二和第四主开关40，60是晶闸管。

在换向电路10的初始状态，线圈电流I_L在正方向290上流动并且与单元电流I_DC相等。第十三辅开关270被接通，并且从而电容器110被旁通并具有零电压。换向的目标是反转线圈电流I_L以在负方向300上流动。

在换向的第一阶段，第十三辅开关270被关断，并且第四主开关60被同时接通。结果，通过第一和第四主开关30、60短路该单元。电容器110现在与线圈70一起形成谐振电路，并且当电容器110最终存储谐振电路的所有能量时，线圈电流I_L减小到零。当这发生时，第二主开关40被自动关断。

在换向的第二阶段，第三主开关50被接通，并且再次形成在电容器110和线圈70之间的谐振电路。线圈电流I_L开始在负方向300上增加，并且最终变得几乎与单元电流I_DC相等。在无损耗电路中，在负方向300上的线圈电流I_L确实可以成为与单元电流I_DC相等，并且在具有低损耗的电路中，在负方向300上的线圈电流I_L可以变得足够高以自动关断第一主开关30，如果其是晶闸管。然而，根据图6的实施例，第一主开关30是GTO，并且一旦电容器110上的电压改变极性并且通过第一主开关30的开关电流变得接近零，其就被主动关断。

在换向的第三阶段，第十四辅开关280被接通同时第一主开关30关断。这将旁通电容器110，现在线圈电流I_L在负方向300上流动。换向的目标现在被实现，并且换向电路10处于下述状态，该状态与初始状态相同，除了线圈电流I_L在负方向300上流动的事实。下一次换向流现在可以以与刚刚描述的换向相对应的方式被执行。

进一步参考图6，提出了操作换向电路10的替代模式。作为在换向的第一阶段同时关断第十三辅开关270并接通第四主开关60的替代，第十三辅开关270首先被关断。单元电流I_DC现在将用额外能量来对电容器110充电，其稍后可用于补偿电路内的损耗。在适当延迟之后，第四主开关60被接通并且后面的换向阶段如前所述发生。用额外能量对电容器110充电的优点是，电容器110现在包含足够的能量来将线圈电流I_L增加到与单元电流I_DC相等。因此，GTO形式的第一主开关30可以用晶闸管来代替，并且换向将继续。在相反方向上的换向期间接通第二主开关40时引入相应延迟时，这同样适用于第三主开关50。

本文中描述的换向电路10可以在控制诸如变压器、电动机或发电机的电机的线圈中的线圈电流I_L中被使用。在这样的应用中，当调整组件的尺寸时候，并且当操作相应的换向电路10时，应当考虑由在H桥20的第一和第二输出端子80、85之间的电动势(emf)生成的电压以及损耗(转换成热或机械能的电能)。

本发明不限定于以上示出的实施例，但是本领域技术人员可以在所附权利要求限定的本发明的范围内以多种方式进行修改。因此，除了上述的很多其他拓扑可以用于实现本发明的技术效果，即，通过期望的主开关30，40，50，60处于主要状态以减小开关电流。图7示出了电压源(这里是电容器110的形式)可以在换向的不同阶段相对于H桥20被连接到的四个位置。此外，电流源100可以用生成对线圈70的电路的任何适当的源来替代，诸如与电感串联的电压源。这样的源应当在本发明的上下文中被认为是电流源100。

为了使换向如所述进行工作，当使用所公开的拓扑时，需要假定电容器、开关、最终的预充电电路和其他组件被适当地调整尺寸，开关被适当地控制。作为根据上述实施例的使用电容器做电压源的替代，可以使用任何其他适当的电压源。此外，如果其导致了通过主开关30，40，50，60中的至少一个的开关电流的减少，即使相应电流不必旁通相应开关，由电压源生成的任何电流应当被视为旁通电流。即使上述所有实施例包含至少一个晶闸管作为主开关30，40，50，60，本发明也可以被施加在主开关30，40，50，60均不是晶闸管的换向电路10上。