包括低功率开关和用来控制开关以生成具有参考值和至少两个控制值的脉冲的设备的高功率转换器

摘要

本发明实施例涉及一种用来将第一电压转换为第二电压的系统，包括：至少两个输入端子和两个输出端子；换向构件(16)，其安置于输入端子与输出端子之间并且适合于将第一电压转换为第二电压；以及，设备(24)，其用来控制换向构件，控制设备(24)包括用来控制相应换向构件(16)的单元(34)和管理并且供应控制单元(34)的构件(36)，管理和供应构件通过同时传输控制信号和电能的链路(38)连接到控制单元。管理和供应构件(36)包括：用来生成具有至少两个不同控制间隔的脉冲的装置，脉冲在第二控制间隔期间具有基本上恒定的值并且不同于与无控制命令相对应的参考值，脉冲值在一个控制间隔不同于另一个控制间隔并且脉冲在第一控制间隔期间具有严格地高于第二控制间隔期间的值。

说明书

本发明有关于一种用来将第一电压转换为第二电压的系统，为包括下 列的类型：

-至少两个输入端子和两个输出端子，

-换向(commutation)构件，其安置于输入端子与输出端子之间并且适 合于将第一电压转换为第二电压；以及

-用来控制换向构件的设备，所述控制设备包括用来控制相应换向构件 的单元和管理并且供应控制单元的构件，管理和供应构件通过同时传输控 制信号和电能的链路连接到控制单元。

本发明特别地适用于具有高电功率诸如大于1MW的功率的转换系统。

前述类型的电压转换器是已知的。转换器为三相电压逆变器，其包括 两个直流输入电压端子和用于三相输出电压中每一相的一个输出端子。三 相逆变器具有用于每一相的两个换向路径。每个换向路径连接于相对应输 出端子与一个相应输入端子之间，并且包括换向构件。换向构件受到控制 设备控制并且适合于将直流输入电压转换为交流输出电压。转换构件包括 例如可控制的电子开关。

该控制设备还包括：用来控制换向构件的单元；以及，用来管理和供 应相应控制单元的构件。管理和供应构件通过同时传输相对应控制信号和 相关联电能的链路连接到控制单元。因此能量与控制信号同时转移，这使 得能在管理和供应构件与相应控制单元之间具有单个链路。

但是，用来在管理构件与控制单元之间形成电流的时间相对较长并且 根据连接到管理和供应构件的控制单元的数量而增加。因此这样的电压转 换器的开关的换向相对较为缓慢，这限制了转换器的开关的换向频率。

本发明的目的在于提供一种换向系统，其能加速换向构件换向，以便 增加所述换向构件的换向频率，并且也缩短在换向构件换向之间的任何滞 后时间。

为此，本发明的目的在于提供一种前述类型的转换系统，其特征在于 管理和供应构件包括生成具有至少两个不同控制间隔的脉冲的装置，脉冲 在第二控制间隔期间具有基本上恒定的值并且不同于与无控制相对应的参 考值，脉冲值在一个控制间隔不同于另一个控制间隔并且脉冲在第一控制 间隔期间具有严格高于第二控制间隔期间的值。

根据本发明的其它有利方面，转换系统包括以下特征中的一个或多个， 独立地或者以其技术上可能的组合中的任何组合：

-相同脉冲的控制间隔一个接一个是连续的，

-该系统包括至少一组串联连接的换向构件，该组或每个组在一个输出 端子与一个相对应的输入端子之间连接，一个相应控制单元与每个换向构 件相关联，并且设有仅一个管理和供应构件用于同一组换向构件的控制单 元，其适合于管理该组的换向构件的多个控制单元，

-控制设备还包括布置于每个控制单元与管理和供应构件之间的电隔离 装置，

-电隔离装置包括，对于每一组换向构件，多个次级绕组，多个磁路和 单个初级绕组，每个次级绕组电连接到相应控制单元的输入并且围绕相应 磁路缠绕，单个初级绕组围绕回路中每一个缠绕并且电连接到单个管理和 供应构件的输出，

-单个初级绕组包括穿过相应磁路中每一个的单匝，

-脉冲包括第一控制间隔和第二控制间隔，脉冲在第一间隔期间的值大 于第二间隔期间的值至少二倍，

-第一控制间隔的持续时间在50ns与200ns之间，并且优选地等于 100ns，

-脉冲在第二间隔期间的值U2由以下等式示出：

U2＝(N×Uc)/M，

其中N表示相应组的换向构件的数量，N为大于或等于2的整数，

Uc为相应控制单元的输入电压；以及

M表示相应次级绕组的匝数，

-每个控制单元包括并联连接的第一路径和第二路径，每个路径包括串 联连接的晶体管和二极管，第二路径的晶体管与第一路径的晶体管互补， 并且第二路径的二极管相对于第一路径的二极管相反地连接；以及

-用于生成脉冲的装置包括用来发出脉冲的输出端子和连接到输出端子 的第一路径和第二路径，每个路径包括：晶体管，其连接于参考点与输出 端子之间；电阻器，其连接于参考点与第一电位之间；二极管，其连接于 参考点与第二电位之间；以及，电容器，其连接于参考点与电接地之间， 第二路径的晶体管与第一路径的晶体管互补，第二路径的二极管相对于第 一路径的二极管相反地连接。

参考附图，从仅以举例说明的方式给出的下文的描述，本发明的这些 特征和优点将显然，在附图中：

图1为根据本发明的转换系统的示意图，其包括适合于将输入电压转 换为输出电压的六个换向构件，

图2为一组换向构件和换向构件的控制设备的电气图，控制设备包括 用于每个相应换向构件的控制单元和用于控制单元的管理和供应构件，

图3为图2的控制单元的电气图，

图4为图2的管理和供应构件的电气图；以及

图5为一组曲线，其一方面表示了由管理和供应构件向控制单元生成 的电压脉冲并且另一方面表示在管理构件与控制单元之间的链路中流通的 电流。

本发明有关于将第一电压转换为第二电压的系统10，其包括至少两个 输入端子12和至少两个输出端子14。转换系统10包括换向(commutation) 构件16，换向构件16安置于输入端子12与输出端子14之间并且适合于将 第一电压转换为第二电压。

转换系统适合于允许流通高电功率(例如大于1MW)。

在图1的实施例中，转换系统10为电压逆变器，其适合于转换在两个 输入端子12之间接收的直流输入电压和在输出端子14中每一个处发出的 交流输出电压。

电压逆变器10包括用于交流输出电压中每一相的两个换向路径18， 每个换向路径18连接于相对应输出端子14与相应输入端子12之间，并且 包括换向构件16。

电压逆变器包括与每个换向构件16反并联连接的二极管22和控制换 向构件的装置24。

在图1的实施例中，电压逆变器10为三相逆变器，并且包括三个输出 端子14和六个换向路径18，即用于三相输出电压中每一相的一个输出端子 和两个换向路径。

在图2中看出，换向构件16包括至少两个并联连接的臂26、共用控制 端子28、第一共用导电端子30和第二共用导电端子32。

在图2的实施例中，换向构件16包括三个并联连接的臂26。

在图1和图2的实施例中，换向构件16中每一个包括至少两个并联连 接的臂26，优选地，包括三个并联连接的臂26。

此外，每个换向构件16包括并联到臂26的一个额外臂27。

在图2中看出，控制设备24包括用于控制每个相应换向构件16的单 元34和用来管理和供应控制单元34的构件36，管理和供应构件36通过用 于同时传输控制信号和电能的链路38连接到控制单元或每个控制单元34。

此外，控制设备24包括布置于每个控制单元34与管理和供应构件36 之间的电隔离装置40。

在图2的实施例中，一组42串联连接的换向构件16包括三个换向构 件16，该组42连接于一个输出端子14和一个相对应的输入端子12之间。 一个相应控制单元34与每个换向构件16相关联，并且仅设有一个管理和 公用构件36用于该组42的换向构件的三个控制单元34。

每个臂26连接于第一共用导电端子30与第二共用导电端子32之间， 并且包括电子开关44，电子开关44可以受控制在接通状态与断开状态之间， 开关44包括控制电极46、第一导电电极48和第二导电电极50。

每个臂26还包括连接于两个导电电极48、50的第一电极与相对应的 共用导电端子30、32之间的电感52。

此外，每个臂26包括连接于控制电极46与共用控制端子28之间的电 阻器54。

额外臂27包括串联连接的电阻器56和电容器58。

共用控制端子28例如通过电阻器54连接到并联连接的臂26中每一个 的开关的控制电极46。

第一共用导电端子30连接到并联连接的臂26中每一个的开关的第一 导电电极48。

第二共用导电端子32由电感52连接到并联连接的臂26中每一个的开 关的第二导电电极50。

在图3中看出，每个控制单元34包括连接到隔离装置40的两个输入 端子60和分别连接到共用控制端子28和第二共用导电端子32的两个输出 端子62。

每个控制单元34包括并联连接的第一路径64和第二路径66，每个路 径64、66包括串联连接的晶体管68和二极管70。

每个控制单元34还包括连接于路径64、66和输出端子62之间的电阻 器72，输出端子62确定为连接到共用控制端子28。每个控制单元34包括 在未连接到输出端子62的电阻器72的端子与另一输出端子62之间串联连 接并且头尾连接的两个齐纳(Zener)二极管74。

管理和供应构件36包括生成脉冲80(在图5中看到)的装置78(在 图4中看到)，脉冲80包括不同的第一控制间隔82和第二控制间隔84和 过渡间隔86，脉冲80在第二控制间隔84期间具有基本上恒定并且不同于 与无控制相对应的参考值U0的值U2，脉冲值在一个控制间隔与另一个控 制间隔不同。脉冲80在第一控制间隔82具有严格地大于在第二控制间隔 84期间的脉冲值U2的值U1。

管理和供应构件36适合于管理组42的换向构件16的多个控制单元34。

传输链路38为有线链路。

电隔离装置40包括，对于每组42换向构件，多个次级绕组87，多个 磁路88和单个初级绕组89，每个次级绕组87电连接到相应控制单元34的 输入并且围绕相应磁路88缠绕。单个初级绕组89围绕回路88中的每一个 缠绕并且在单个管理和供应构件36的输出处电连接。

电子开关44包括选白下列中的至少一个晶体管：场效晶体管、IGBT (绝缘栅双极晶体管)晶体管和IEGT(注入增强栅晶体管)晶体管。在图2 的实施例中，每个电子开关44包括IGBT晶体管。

开关44的晶体管或每个晶体管例如适合于允许流通具有等于1.2kV或 600V电压的电流和等于30A或40A的电流。

同一换向构件16的开关包括相同类型的晶体管，即场效晶体管、 IGBT晶体管、或IEGT晶体管。同一换向构件16的晶体管(尽管为相同类 型)可能具有在一个晶体管与另一个晶体管之间显著不同的电特征。

当开关44包括场效晶体管、IGBT晶体管或IEGT晶体管时，控制电 极46也被称作栅极。

当开关44包括IGBT晶体管或IEGT晶体管时，第一导电电极48(相 应地，第二导电电极50)，也被称作集电极(相应地，发射极)。

作为一变型，当开关44包括场效晶体管时，第一导电电极48(相应 地，第二导电电极50)也被称作栅极(相应地，源极)。

在图2的实施例中，连接到电感52的两个导电电极48、50的所述电 极为第二导电电极50。换言之，当晶体管为IGBT晶体管或IEGT晶体管时， 连接到电感52的两个导电电极的所述电极为发射极。作为一变型，当晶体 管为场效晶体管时，连接到电感52的两个导电电极的所述电极为源电极。

电感52具有大于10nH的值L并且对于并联连接的臂26中的每一个基 本上相同。电感52例如具有在10mH与100nH之间的值L。

电阻器54为专用无源部件并且具有大约数欧姆的值。

额外臂27的电阻器56为用于可能以高频率，例如超过1MHz的频率 出现的寄生电压的阻尼电阻器。电阻器56具有大约数欧姆的阻抗。

电容器58适合于吸收大部分电流并且限制电压相对于时间的导数。电 容器58具有例如在P与10×P nF之间，优选地等于5×P nF的值的电容， 其中P表示并联连接的臂26的数量。

当每个换向构件的开关44处于断开状态时，每个电容器58能够被充 电，并且当开关44处于接通状态时，每个电容器58能够被放电。

第二路径66的晶体管68，也被标注为68B，与第一路径64的晶体管 (也被标注为68A)互补。第二路径66的二极管70相对于第一路径64的 二极管相反地连接。

第一路径的晶体管68A为P型MOSFET晶体管，并且第二路径的晶体 管68B为N型MOSFET晶体管。作为一变型，第一路径的晶体管68A为 NPN型双极晶体管，并且第二路径的晶体管68B为PNP型双极晶体管。

在图4中看出，发生装置78包括：两个输出端子90，其连接到传输链 路38的两端用来发出脉冲80；以及，输入端子92，其连接到预定值的电 位。

发生装置78包括连接到同一输出端子90的第一路径94和第二路径96， 另一输出端子90连接到电接地98。发生装置78还包括电阻器100，电阻 器100连接于输出端子(其连接到第一路径94和第二路径96)与电接地 98之间。

在图5中看出，由发生装置78生成的脉冲80包括第一控制间隔82、 第二控制间隔84和过渡间隔86。脉冲在第一间隔82期间的值U1大于第 二间隔84期间的值U2至少二倍。

在图5的实施例中，脉冲80为电压脉冲并且对应于所述脉冲80、在有 线传输链路38中流通的电流由在图5中看到的曲线120表示。因此在有线 传输链路38中的电流包括对应于第一控制间隔82的上升沿122；平稳期 124，其中，电流具有对应于第二控制间隔84的基本上恒定值的电流。最 后，在有线链路38中的电流具有对应于脉冲的过渡间隔86的下降沿126。

脉冲80在第二控制间隔84期间的值U2由以下等式示出：

U2＝(N×Uc)/M，

其中N表示相应组42的换向构件16的数量，N为大于或等于2的整 数，

Uc为相对应控制单元34的输入电压；以及

M表示相对应的次级绕组87的匝数。

第一间隔82持续时间在50ns与200ns之间，并且优选地基本上等于 100ns。第二间隔84的持续时间在0.2μs与3μs之间，并且优选地基本上 等于1μs。

过渡间隔86始于路径94打开，由次级绕组87施加的电流然后在连接 于输出端子90与电接地98之间的电阻器100中流通。在过渡间隔86期间， 脉冲80的电压降低到最小电压，具有大于或等于值-U’1的值，然后其逐渐 地减少。

磁路88例如呈芯的形式。

在图2的实施例中，单个初级绕组89包括穿过相对应环88中每一个 的单匝。换言之，有线传输链路38形成单个初级绕组89。

每个路径94(相应地，96)包括：晶体管102，其连接于参考点104 与相对应的输出端子90之间；电阻器106，其连接于参考点104与输入端 子92之间，输入端子92连接到具有值U1(相应地，-U’1)的第一电位； 二极管108，其连接于参考点104与另一输入端子92之间，另一输入端子 92连接到具有值U2(相应地，-U'2)的第二电位；以及，电容器110，其 连接于参考点104与电接地98之间。

第一电位的值U1、-U’1的绝对值大于第二电位的值U2、-U'2。对应 于第一路径的值U1、U2为正值，并且对应于第二路径96的那些为负值。 在其它方面，值U1大于U2，值U2又大于-U'2，值-U'2又大于-U’1。

第一路径94的晶体管102，也被标注为102A，与第二路径96的晶体 管(也被标注为102B)互补。第二路径96的二极管108相对于第一路径 94的二极管相反地连接。

第一路径的晶体管102A为P型MOSFET晶体管，并且第二路径的晶 体管102B为N型MOSFET晶体管。作为一变型，第一路径的晶体管102A 为NPN型双极晶体管，并且第二路径的晶体管102B为PNP型双极晶体管。

在转换系统操作期间，控制脉冲80由在有线传输链路38上的管理和 供应构件36生成，其具有加到芯88的寄生电感的电感。换言之，由有线 链路38形成并且包括单匝的初级绕组89具有可能造成形成电流的时间增 加的高泄露电感。

由管理和供应构件36生成的脉冲80包括第一高电压控制间隔82以能 在短时段形成电流(上升沿122)，对应于维持电流(平稳水平124)的相 对较长间隔时间的第二间隔84和最后对应于电流返回到零值(下降沿126) 的寄生间隔86。

两个连续的第一间隔82、84使得能控制换向构件16，例如在图5的实 施例中以接通模式。

此外，脉冲80还包括三个间隔，未图示，具有与在断开模式中控制换 向构件16在先前描述的那些电压相反符号的电压。换言之，用来在断开模 式控制换向构件16的脉冲80在第一控制间隔具有值-U’1，然后在第二控 制间隔期间具有值-U'2。在过渡间隔期间，脉冲80的电压增加到最大电压， 具有小于或等于U1的值，然后逐渐地减小。

当脉冲80具有正控制间隔82、84时，控制单元34的第一路径的P型 晶体管68A为导电的，而控制单元的第二路径的N型晶体管68B为断开的。 然后电流通过控制单元的第一路径64到开关44的控制电极46，其以接通 模式控制开关44。在脉冲80结束时，N型晶体管68B保持断开，其能够使 得控制电极46维持在充电状态。

关于在其断开模式对换向构件16的控制，操作相反。更具体而言，脉 冲80的控制间隔(未图示)具有连续的负电压，并且控制单元34的P型 晶体管68B为导电的，而相同控制单元的P型晶体管68A处于断开模式。 电流从控制单元的输出端子62流通到相对应的输入端子60。换言之，开关 44的控制电极46不再接收控制电流，并且开关44然后处于断开模式。

本领域技术人员还将了解多个正脉冲80可以连续地生成以便维持在开 关的控制电极46上的控制信号持续相对较长时段。

换向构件16串联连接以形成一组构件42使得能获得更高值的输出电 压，同时限制在串联连接的换向构件之间的电压不平衡，在每个换向构件 16的端子处的电压相对于时间的导数经由每个电容器58的电容值受到控制。

因此，可以看出根据本发明的转换系统10使得能加速换向构件的换向 以便增加所述换向构件的换向频率并且也缩短在换向构件换向之间的任何 时间延迟。