專利名稱：橋式電源變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及橋式電源變流器，其中兩個半導(dǎo)體開關(guān)元件(每個元件有一個并聯(lián)二極管)的串聯(lián)連接的一端被連接到直流總線的正端，而另一端被連接到負(fù)端。
背景技術(shù)：
在例如電源逆變器那樣的橋式電源變流器中，直流電壓總線上的電壓被開關(guān)元件切換以提供交流輸出，這樣，電壓會急速地改變。為了減小開關(guān)損耗、電流紋波和噪聲，元件的速度特性已加以改進(jìn)，電壓變化速率也已提高。這引起了以下問題。
(1)對地電壓的突然改變產(chǎn)生電磁波，它干擾其它電子設(shè)備。
(2)泄漏電流通過寄生電容進(jìn)到電纜和電動機(jī)繞組。
(3)如果電纜很長，就會有分布參數(shù)的電路，形成駐波且把電壓浪涌加到電動機(jī)。
(4)高的電壓變化速率使電動機(jī)繞組中的電壓分布不平衡，會把高電壓加到部分繞組，造成絕緣惡化。
作為一種對策，可以向主半導(dǎo)體元件的柵極或基極的驅(qū)動信號提供一個梯度以減小開關(guān)速度。然而，這種方法增加了開關(guān)損耗。
作為另一種措施，在直流總線上提供一個L-C諧振電路以阻斷直流電壓，使逆變器橋路工作在零電壓期間以避免急劇的電壓變化(見PCT專利申請PCT/US87/02489)。然而，用這種方法不可能持續(xù)地控制輸出電壓的時間長度。
作為另外一種措施，在逆變器和電動機(jī)之間加上一個濾波器。然而，如果使用L-C濾波器，那么用于衰減連續(xù)振蕩的電阻會造成損耗。另外，必須為不同的電動機(jī)確定各自的濾波常數(shù)。


圖1顯示了三相電壓變流器主電路。橋電路由六個開關(guān)元件Q1-Q6和六個續(xù)流二極管D1-D6組成。開關(guān)元件Q1-Q6的特性確定了接通/關(guān)斷的開關(guān)速度。輸出端的電壓以非常短的時間間隔被切換，引起了上述的問題。
發(fā)明的公開本發(fā)明的一個目的是提供一種橋式電源變流器，它能減小由橋式電源變流器加到所驅(qū)動的電動機(jī)上的電壓在切換時的電壓變化率。
按照權(quán)利要求1的橋式電源變流器包括，在每一相中，一個連接在所述兩個開關(guān)元件的連接點和輸出端之間的電感；連接在輸出端和所述直流總線的正端或負(fù)端之間的電容，當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)元件工作而造成連接點的電壓突然改變時，該電容器用于沿著由它和電感一起產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象所確定的曲線改變輸出電壓；用于當(dāng)所述諧振達(dá)到約四個之一周期時改變電流路徑從而中止所述諧振的二極管；以及用于吸收在所述諧振期間存儲在所述電感中的能量的穩(wěn)壓二極管，例如齊納二極管。
按照權(quán)利要求2，提供了一種橋式電源變流器，其中在結(jié)合權(quán)利要求1的電路而開發(fā)的多相橋式電源變流器的每一相中，連接到直流總線的正端和負(fù)端的穩(wěn)壓二極管分別被構(gòu)成高壓或低壓優(yōu)先電路的二極管和構(gòu)成反向電流路徑的二極管所代替。
按照權(quán)利要求3，提供了一種橋式電源變流器，其中按照權(quán)利要求1的穩(wěn)壓二極管由包括三極管在內(nèi)的穩(wěn)壓電路所代替，以便提供反向?qū)ㄌ匦浴?br> 按照權(quán)利要求4，提供了一種橋式電源變流器，其中按照權(quán)利要求2的穩(wěn)壓二極管由晶體管構(gòu)成。
按照權(quán)利要求5，提供了一種按照權(quán)利要求2的橋式電源變流器，它進(jìn)一步包括斬波電路，用于控制跨越代替穩(wěn)壓二極管的電容兩端的電壓以及把所吸收的功率返回給所述直流總線。
按照權(quán)利要求6，提供了一種按照權(quán)利要求1到5的任何一種橋式電源變流器，它進(jìn)一步包括連接到交流電源的交流端子，用于進(jìn)行交流到直流的電源變換。
按照權(quán)利要求7，提供了一種按照權(quán)利要求1的橋式電源變流器，它進(jìn)一步包括由對開關(guān)元件的增補(bǔ)物構(gòu)成的一個單元，該單元連接在電源變流器和電動機(jī)或電源之間。
當(dāng)輸出端電壓由于橋式電源變流器的切換而突然變化時，電動機(jī)的電壓由于諧振而沿余弦曲線改變，當(dāng)電動機(jī)電壓達(dá)到某個電平時，二極管和穩(wěn)壓二極管提供箝位功能以便吸收過大的能量。這就控制了加到電動機(jī)上的電壓的變化率以及過大的振蕩的產(chǎn)生。
如上所述，按照本發(fā)明而減小的電壓變化率產(chǎn)生以下優(yōu)點(1)有較少的電磁干擾。
(2)有較少的泄漏電流。
(3)有更少的駐波以及沒有或幾乎沒有電壓浪涌加到電動機(jī)。
電纜可被看作為一個L-C分布電路，這樣當(dāng)逆變器的輸出電壓急劇變化時，有一個行波進(jìn)到電動機(jī)。電動機(jī)阻抗比電纜阻抗大得多，因而在電纜和電動機(jī)之間的某一點的阻抗可被看作為開路。因此，在電動機(jī)端產(chǎn)生反射波，由行波和反射波的組合而構(gòu)成了駐波。因而，電動機(jī)端電壓上升，并可達(dá)到逆變器輸出電壓的兩倍。當(dāng)逆變器電壓的變化率dv/dt減小時，以上現(xiàn)象被控制，這樣幾乎沒有任何電壓浪涌。
(4)電動機(jī)繞組的電壓被平衡，使得絕緣壽命更長。
附圖概述圖1是三相電壓逆變器主電路的線路圖；圖2是按照本發(fā)明實施例的橋式電源變流器的一個單相的電路圖；圖3是顯示圖2電路的輸出電壓圖；圖4是從圖2的電路發(fā)展出的三相電路圖；圖5是具有共用穩(wěn)壓電路的三相橋式電源變流器的電路圖；以及圖6是具有功率再生功率的三相橋式電源變流器的電路圖。優(yōu)選實施例說明圖2顯示了按照本發(fā)明的橋式電源變流器的單獨的一相。圖3顯示了電源變流器的輸入和輸出電壓波形。
這種橋式電源變流器包括一個電容C0，兩個開關(guān)元件Q1和Q2，兩個二極管D1和D2，一個線圈L1，兩個電容C1和C2，兩個二極管D3和D4，以及兩個穩(wěn)壓二極管(齊納二極管)ZD1和ZD2。
假定所有元件和部件都具有理想特性。另外，假定流過負(fù)載或電動機(jī)的電流在切換前后的短時間間隔內(nèi)是恒定不變的，以及電流方向以箭頭I0表示(為了電路對稱性，反方向被省略)。
如圖3所示，工作方式可分為6個時間段T1-T6。
在時間段T1，晶體管Q1被關(guān)斷并且是穩(wěn)定的，電流從N總線(即總線負(fù)端)經(jīng)二極管D2和線圈L1流到負(fù)載。晶體管Q2接通，但電流方向相反，所以二極管D2接通。這種電容C1被充電到電壓(Vdc+VD)其中VD是穩(wěn)壓二極管ZD1和ZD2的電壓，而跨越電容C2兩端的電壓是零。
當(dāng)晶體管Q2和Q1分別被關(guān)斷和接通時，時間段T2開始。也就是當(dāng)晶體管Q2和Q1分別關(guān)斷和接通時，電容C1放電而電容C2充電。這時，負(fù)載電流從二極管D2改變到晶體管Q1，使電流I1和I2如圖2所示的那樣流動，同時建立起兩個諧振電路。一個電路是C1→ZD1→Q1→U1→L1→U2→C1，另一個電路是C0→P→Q1→U1→L1→U2→C2→ZD2→N→C0。這些諧振電流被疊加從而增加了晶體管Q1和線圈L1的電流。因此，跨越電容C1兩端的電壓沿余弦曲線減小，而跨越電容C2兩端的電壓沿余弦曲線增加。輸出端處的電位U2隨著增加的電壓而增加。當(dāng)輸出端處的電位U2達(dá)到電壓(Vdc/2+VD)時，跨越電容C1兩端的電壓變?yōu)榱?，這就使時間段T2結(jié)束。
由于當(dāng)跨在電容C1兩端的電壓為零時線圈L1存儲了由諧振產(chǎn)生的過大的能量，在時間段T3內(nèi)環(huán)形電流L1→U2→D3→ZD1→P→Q1→U1繼續(xù)流動，而其幅度則以VD/L1的速率減小。在這段時間內(nèi)，U2被箝位到電位(Vdc/2+VD)。當(dāng)環(huán)繞電流變零時，此時間段結(jié)束，且U2的電位等于P的電位。
當(dāng)晶體管Q1被接通時，時間段T4的狀態(tài)是穩(wěn)定的。這時，跨在電容C1和C2兩端的電壓分別為零和(Vdc+VD)。
當(dāng)晶體管Q1和Q2分別被關(guān)斷和接通時，時間段T5開始。負(fù)載電流從晶體管Q1改變到二極管D2，同時建立起兩個諧振電路。一個電路是C2→U2→L3→U1→D2(或Q2)→N→ZD2，另一個電路是C0→P→ZD1→C1→U2→L1→U1→D2(或Q2)→N→C0。諧振電流以這樣的方向(與輸出電流I0方向相反)疊加，以抵消線圈L1的電流。因此，電容C2的電壓沿余弦曲線減小，而電容C1的電流沿余弦曲線增加。輸出端處的電位U2隨著電壓的減小而減小。當(dāng)輸出端處的電平U2達(dá)到-(Vdc/2+VD)時，跨在電容C2兩端的電壓變?yōu)榱?，這就使時間段T5結(jié)束。
當(dāng)電容C2的電壓變?yōu)榱銜r，線圈L1存儲了由諧振引起的過大的能量，從而環(huán)形電流在時間段T6內(nèi)繼續(xù)在L1→U1→D2(或Q2)→N→ZD2→D4→U2內(nèi)流動，其幅度以VD/L1的速率減小(L1的電流增加趨向于I0)。在這段時間內(nèi)，U2被箝位到電位-(Vdc/2+VD)。當(dāng)環(huán)繞電流變?yōu)榱銜r，此時間段結(jié)束，并使輸出端電位U2等于N的電位。當(dāng)時間段T6結(jié)束時，電位返回到和時間段T1同樣的穩(wěn)定狀態(tài)。
在圖2中，穩(wěn)壓二極管ZD1和ZD2吸收諧振能量。實際上，有可能使用一種電路，這種電路把并聯(lián)二極管反向連接到并聯(lián)調(diào)壓器上，在這種調(diào)壓器中使用晶體管來保持電壓恒定。
圖4是從圖2的電路發(fā)展而成的橋式電源變流器的電路圖。其中U-相的電路和圖2的電路一樣。
兩個開關(guān)晶體管Q3和Q4，兩個二極管D3和D4，一個線圈L2，兩個電容C3和C4，兩個二極管D9和D10，以及兩個穩(wěn)壓二極管ZD3和ZD4構(gòu)成V-相的電路，而兩個開關(guān)晶體管Q5和Q6，兩個二極管D5和D6，一個線圈L3，兩個電容C5和C6，兩個二極管D11和D12，以及兩個穩(wěn)壓二極管ZD5和ZD6構(gòu)成W-相的電路。
在圖5中，連接到圖4的直流總線的正端P的穩(wěn)壓二極管ZD1，ZD3，ZD5借助于由二極管D13，D17和D21組成的高壓優(yōu)先電路和由二極管D14，D18，和D22組成的反向電流電路而被共用穩(wěn)壓二極管ZDP所代替，而連接到直流總線負(fù)端N的穩(wěn)壓二極管ZD2，ZD4和ZD6借助于由二極管D15，D19和D23組成的低壓優(yōu)先電路和由二極管D16，D20和D24組成的反向電流電路而被共用穩(wěn)壓二極管ZDN所代替。
實際上，在電流逆變器中ZDP和ZDN就像減震器能量處理器或處理換向能量的電路那樣，按如下方式構(gòu)成(1)并聯(lián)調(diào)壓器晶體管被用來保持電壓恒定。
(2)電容器和斬波器的組合電容吸收脈沖，能量則通過斬波器被返回到P/N總線，以便保持電壓恒定。
在圖6所顯示的電路中，在圖5中的逆變器型電源變流器的穩(wěn)壓二極管ZD1和ZD2被電容CP和CN，二極管DP和DN，晶體管QP和QN，以及線圈LP和LN等代替，以便通過斬波器把由諧振產(chǎn)生的過大能量返回到直流總線。也就是，由電容CP和CN吸收的能量通過由晶體管QP，二極管DP和線圈LP組成的斬波器和由晶體管QN，二極管DN，和線圈LN組成的斬波器而返回到各自的直流電路。
如上所述，橋式電源變流器能把直流轉(zhuǎn)換為交流以驅(qū)動交流負(fù)載，以及當(dāng)把交流端連接到交流電源時能把交流轉(zhuǎn)換為直流并控制電源的電流波形。按照本發(fā)明的裝置能減小急速電壓變化對負(fù)載的影響。
權(quán)利要求
1.一種橋式電源變流器，其中在每一相中，兩個半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)連接的每一個各有一個并聯(lián)的反向二極管，該連接的一端被連接到直流總線的正端，而另一端被連接到直流總線的負(fù)端，包括一個連接在所述兩個開關(guān)元件的連接點和輸出端之間的電感；連接在所述輸出端和所述直流總線的正端或負(fù)端之間的電容，當(dāng)所述半導(dǎo)體開關(guān)元件因工作而造成所述連接點的電壓突然改變時，該電容器用于沿著由它和所述電感一起產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象所確定的曲線改變輸出電壓；用于在所述諧振達(dá)到約四分之一周期時改變電流路徑從而中止所述諧振的二極管；以及用于吸收在所述諧振期間存儲在所述電感中的能量的穩(wěn)壓二極管，例如齊納二極管。
2.按照權(quán)利要求1的一種橋式電源變流器，其特征在于，其中在多相橋式電源變流器的每一相中，連接到所述直流總線的所述正端和負(fù)端的穩(wěn)壓二極管分別由構(gòu)成高壓或低壓優(yōu)先電路的二極管和構(gòu)成反向電流路徑的二極管所代替。
3.按照權(quán)利要求1的一種橋式電源變流器，其特征在于，其中所述穩(wěn)壓管由包括晶體管在內(nèi)的穩(wěn)壓電路所代替，以便提供反向?qū)ㄌ匦浴?br> 4.按照權(quán)利要求2的一種橋式電源變流器，其特征在于，其中所述穩(wěn)壓二極管由晶體管構(gòu)成。
5.按照權(quán)利要求2的一種橋式電源變流器，其特征在于，它進(jìn)一步包括削波電路，用于控制跨越在代替所述穩(wěn)壓二極管的電容上的電壓以及返回所吸收的功率給所述直流總線。
6.按照權(quán)利要求1到5的任一項的一種橋式電源變流器，其特征在于，它進(jìn)一步包括連接到交流電源的交流端子，用于進(jìn)行交流到直流的電源變換。
7.按照權(quán)利要求1的一種橋式電源變流器，其特征在于，它進(jìn)一步包括由對開關(guān)元件的增補(bǔ)物構(gòu)成的單元，該單元連接在電源變流器和電動機(jī)或電源之間。
全文摘要
一種橋式電源變流器，其每一相包括插在兩個開關(guān)器件(Q
文檔編號H03K17/0814GK1164939SQ96190924
公開日1997年11月12日 申請日期1996年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月23日
發(fā)明者久米常生, 沢俊裕, 園田澄利, 山田健二 申請人:株式會社安川電機(jī)