专利名称：交流电源任意时间超快速半导体开关装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种交流电源任意时间超快速半导体开关装置，尤指一种可在任意时间关断负载交流电源的半导体开关装置。
传统电动机配电盘及变频器交流电源输出中，若输出端短路或接地故障时，主开关必须跳脱来保护。但目前主开关采用无融丝开关、电磁开关或其它断路器等皆属于机械速度开断，起断速度慢，产生火花，危险性高，并且使用寿命不佳。尤其，因为起断速度慢，当负载侧发生故障电流时，负载容易被损坏，譬如半导体装置型式变频器不允许超过10微秒的过电流状况发生，然目前无融丝开关或断路器根本无法在10微秒的内确实关断。再者，现今自动化生产线系统中，一台变频器经常同步带动数十台电动机并联运转，一但任一台电动机短路或接地故障，而导致变频器跳脱时，即会造成生产系统严重停机损失，例如纺丝卷取及轧钢滚轮输送系统等。
此外，传统电动机的软起动器、功率因子控制器及调压调速器等方面的开关电路是采用逆向阻塞式三极可控硅整流器(SCR)，目前可控硅整流器使用方式为整个半波通过，以延迟触发达到降压目的，由于电压波形已非正弦波，因此电动机的功率因子低，谐波高，起动转矩低，软起动效果不佳。譬如德国西门子及美国AB等品牌的起动最大电流为500％额定值，但起动转矩最高只有25％，只能适合低起动转矩方面的送风机、水泵使用，适用范围受到严重限制，以致传统软起动器无法取代各种电动机起动开关。
本发明人有鉴于传统电动机配电盘及控制器开关的使用缺点，因此乃针对其症结所在，开始着手加以谋求改善，补其所缺，以寻求一项合理解决方案，经过无数次研析、设计，终于完成本发明交流电源任意时间超快速半导体开关装置。
本发明的目的，在于提供一种交流电源任意时间超快速半导体开关装置，该装置能够在任意时间迅速开关交流电源，而不必在电压过零时才切断，达到确实保护作用；该半导体开关装置可配合简易的控制功能，以取代传统无融丝开关、电磁开关、漏电断路器、过载电驿及保险丝等，并且能够配合附加软件及硬件，以作为电动机的软起动器、功率因子控制器及调压调速器等功能，能够更准确及高效率操作；该半导体开关装置整体开关速度快，不会发生电弧，损耗小，使用寿命长，只须15伏特电源即可操作达几万安培，与传统配电盘比较，可节省几十倍成本，并且采用数字化操作，简单、可靠及高效率，能够与计算机通讯作集中控制功能。
一种交流电源任意时间超快速半导体开关装置，该装置在单相或三相负载的各相交流电源上串接可控式第一、第二半导体组件，这些第二半导体组件的另一端共同连接导通，在各相第一、第二半导体组件之间以接线输出交流电源至相对负载，并且这些第一、第二半导体组件各并联一反向的二极管，而各相第一半导体组件与对应相第二半导体组件是为相反的开关动作，藉关断该相第一半导体组件以切断交流电源，则负载上的电流经由对应相第二半导体及该相第二半导体组件所并联的二极管，而构成一续流回路。这些第一、第二半导体组件为功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
本发明具有下列附图
图1本发明实施例半导体开关装置的电路图。
图2图1R相导通至S相电源的示意图。
图3图2切断交流电源的示意图。
图4图1T相导通至S相电源的示意图。
图5图4切断交流电源的示意图。
图6脉冲宽度调整输出电压、电流波形图。
图7本发明另一实施例的电路图。
图中代号说明10三相电动机11、21、31第一半导体组件12、22、32第二半导体组件40单向电动机D1、D2、D3、D4、D5、D6二极管下面结合附图和实施例对本发明作详细描述请参阅图1，本发明交流电源任意时间超快速半导体开关装置控制三相负载的交流电源开关动作，而图1所示负载即以三相电动机10作为说明，其主要在R、S、T相交流电源上各串接可控式第一、第二半导体组件11、12、21、22、31、32，这些第二半导体组件12、22、32的另一端则共同连接导通，并在各相第一、第二半导体组件11、12、21、22、31、32的间形成U、V、W交流电源输出端，以接线输出交流电源至三相电动机10的相对线圈，而各相第一、第二半导体组件11、12、21、22、31、32皆并联一反向的二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6。在图1所示实施例中，这些第一、第二半导体组件11、12、21、22、31、32系为功率绝缘栅场效应晶体管(IGBT)，亦可采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，或者其它可适用的晶体管，譬如汉宁顿管(GTR)。
在R、S相交流电源导通，栅极控制信号驱使第一半导体组件11导通，而第二半导体组件12、22被切断，则R相交流电源正半波通过第一半导体组件11，如图2箭头方向所示流经三相电动机10的相对线圈，然后电流I1回流通过S相的二极管D2。若在任意时间切断R相第一半导体组件11，则R相交流电源立刻被切断，同时控制第二半导体组件12、22各呈导通状态，则如图3所示三相电动机10相对线圈的电流I1，系经由S相第二半导体组件22及R相二极管D4，再回流到线圈上，构成一续流回路，避免发生瞬间超高压，因此能够在任意时间迅速开关交流电源，而不必在电压过零时才切断，达到迅速确实保护的效果。
再以T、S相交流电源导通为例说明，T相交流电源正半波通过第一半导体组件31，如图4箭头方向所示流经三相电动机10的相对线圈，然后电流I2回流通过S相的二极管D2。若在任意时间切断T相第一半导体组件31，则如图5所示三相电动机10相对线圈的电流I2，即经由S相第二半导体组件22及T相二极管D6，再回流到线圈上。
另一方面，可将脉冲宽度调整(PWM)方式的控制信号输至第一、第二半导体组件11、12、21、22、31、32的栅极G，以将三相交流电源的每一个正弦波作同等份切割，通过脉冲宽度调整(PWM)时间控制，即可得到图6所示电压波形，达到调压目的，并且电流输出近似正弦波，能够提高电动机的起动转矩及功率因子。
请参阅图7，此实施例针对单向电动机40，在R、S相交流电源上各串接可控式第一、第二半导体组件11、12、21、22，将两个第二半导体组件12、22的另一端共同连接导通，并在各相第一、第二半导体组件11、12、21、22的间形成U、V交流电源输出端，以接线输出交流电源至单向电动机40，而各相第一、第二半导体组件11、12、21、22皆并联一反向的二极管D1、D2、D4、D5。
综合以上所述，本发明交流电源任意时间超快速半导体开关装置能够在任意时间迅速开关交流电源，而不必在电压过零时才切断，适用于电动机电源隔离、软起动器、功率因子控制器及调压调速器等方面，整体开关速度快，无电弧，使用寿用长，损耗小，配合数字化操作，简单、可靠及高效率，能够与计算机通讯作集中控制功能，进一步可通过脉冲宽度调整控制方式以精确调整电压，并且电流输出近似正弦波，能够提高电动机的起动转矩及功率因子效率，具备产业上实用性。
权利要求
1.一种交流电源任意时间超快速半导体开关装置，该装置在单相或三相负载的各相交流电源上串接可控式第一、第二半导体组件，这些第二半导体组件的另一端共同连接导通，在各相第一、第二半导体组件之间以接线输出交流电源至相对负载，并且这些第一、第二半导体组件各并联一反向的二极管，而各相第一半导体组件与对应相第二半导体组件是为相反的开关动作，藉关断该相第一半导体组件以切断交流电源，则负载上的电流经由对应相第二半导体及该相第二半导体组件所并联的二极管，而构成一续流回路。
2.如权利要求1所述的交流电源任意时间超快速半导体开关装置，其中，这些第一、第二半导体组件为功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
3.如权利要求1所述的交流电源任意时间超快速半导体开关装置，其中，这些第一、第二半导体组件的栅极是输入脉冲宽度调整(PWM)控制信号，以等份切割交流电源的正弦波，配合脉冲宽度调整(PWM)时间控制，而调整输出电压。
全文摘要
一种交流电源任意时间超快速半导体开关装置,是在单相或三相负载的各相交流电源上串接可控式第一、第二半导体组件,这些第二半导体组件的另一端共同连接导通,在各相第一、第二半导体组件的间以接线输出交流电源至相对负载,并且这些第一、第二半导体组件各并联一反向的二极管,而各相第一半导体组件与对应相第二半导体组件是为相反的开关动作,藉关断该相第一半导体组件以切断交流电源,则负载上的电流是经由对应相第二半导体组件及该相第二半导体组件所并联的二极管,而构成一续流回路,避免发生瞬间超高电压,因此能够在任意时间迅速开关交流电源。
文档编号H03K17/56GK1357972SQ0013413
公开日2002年7月10日 申请日期2000年12月5日 优先权日2000年12月5日
发明者戴政耀 申请人:戴政耀