单极串联谐振变换器以及利用该交换器在两个电路之间变换功率的方法技术

一种用于在两个ＡＣ和／或ＤＣ电路之间变换功率的高效静态串联谐振变换器和方法，包括一个与链电流合成器连接的谐振电路，用于产生一系列具有可控零电流和非零电流持续时间段的单极链电流脉冲。一个阻断开关在启动每个链电流脉冲中使谐振电路的振荡停止，接着由一个阻尼电感箝位。通过谐振振荡从自然换向关断使每个脉冲结束。该脉冲实际上是方波和具有高的占空度导致使峰值电流值减至为最小。通过在实际上零电压和零电流时转换能够使转换损失减至最小。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种功率变换器和一种在两个电功率电路之间例如一个公用电网和一个负载之间交换能量和变换功率的方法，特别是涉及一种单极串联谐振变换器，用于在大功率多千瓦的系统中由交流(AC)或直流(DC)电源提供直流(DC)或交流(AC)输出功率。通常，变换器用于把电负载同电源进行连接。例如，变换器同不断电电源设备、电弧炉和感应电动机驱动装置一起使用。在工作中，变换器及其负载产生会在电力公用网上引起电压尖峰的有害谐波电流。这些尖峰会损坏从该电网中接收功率的其他用户的设备。计算机尤其容易受到由这些谐波电流所产生的电压尖峰损坏。通常在公用电网和变换器之间以及变换器和负载之间使用滤波器，但滤波器非常昂贵，在原始装置和运行中的成本都很高。例如，一台五马力的感应电动机花150美元，而变换器却花2000美元，滤波器要花1000美元。这样，工程师们致力于改进变换器的设计以降低感应电动机驱动装置的原始成本。在各种专利和出版物中已披露了各种早期的谐振变换器，例如Mohan，Undeland和Robbins所著的电力电子变换器，应用和设计，(John Wiley & Sons，1989)，第154—200页。一般，传统的谐振变换器具有至少由一个谐振电路即“谐振”电路连接在一起的输入和输出开关装置。通常用滤波器来连接输入和输出开关装置。开关装置是多组半导体开关器件，例如(按成本增加的顺序列出)，二极管、晶闸管、门辅助关断晶闸管(GATT)、门极可关断晶闸管(GTO)绝缘栅双极性晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。传统的谐振变换器的谐振电路有助于达到所谓的“软开关”。在进行软开关中，半导体以实质上零电流叫做“零电流开关”(ZCS)进行开关，或以实质上零电压叫做“零电压开关”(ZVS)进行开关，或以ZCS和ZVS的组合进行开关。结果，在软开关中所产生的开关损耗低于传统的“硬”开关电路，并且这种低开关损耗有助于快速开关(大约20KHz，与具有硬开关的1千赫相对)。这样，在谐振变换器中获得了更高的开关频率。能够进行高频软开关的谐振变换器通常被用于使在变换器的输入和输出两者上的电压和电流波形的谐波失真最小。高频软开关也能节省掉庞大昂贵的低次谐波滤波器。因而，与电力电子能量转换过程相关的磁和静电部件的大小和重量也减少了。在功率范围的低端，例如几百瓦或更少，具有很多种谐波变换器。但在大功率多千瓦的应用中，在装置和复杂的电路布局上只有很少的选择能供变换器设计者采用。因而，设计出能够以高转换效率工作的低成本大功率变换器是非常困难的。有两类大功率谐振变换器已经证明是成功的，特别是1串联谐振变换器，和2并联谐振变换器这两种的组合也已经被推荐。这两种变换器的基本区别是功率通过变换器传输给负载的方式。对于并联谐振变换器，负载端几谐振电路中的谐振电容器相并联。对于串联谐换器，负载端同谐振电路电容器相串联。在串联或并联谐振变换器中，负载既可以同谐振电容器直接连接也可以通过开关和其他的存储元件而间接连接。在想象上，谐振电路作为变换器的输入和输出之间的一个链。控制谐振电路以产生一系列脉冲，该脉冲可以是恒定或变化的脉冲和周期宽度。这些脉冲的基本频率，在此被称为“链频率”，被选择为高于输入和输出电压或电流的频率。变换器以一个输入频率接收输入功率，并把输入功率转换为一列脉冲，在此称为“链功率”。该链功率然后被再次转换，以获得具有一个被选择的输出频率的输出功率。输入功率、输出功率、或其两者可以是DC功率(即，具有零频率的电流和电压的功率)。早期的谐振变换器的各种布局使用各种半导体。最低成本的半导体是增强的可控整流器，也称为晶闸管。晶闸管只是在需要两个工作条件时才被用于谐振变换器，即，如果；1、流过装置的电流由自然换向所关断；2、装置在足够的持续时间(关断时间)下受到足够的反向偏压。如果链频率是如此的高以致于装置关断时间导致链电流或电压脉冲的不可接受占空因数，则晶闸管不适于大功率谐振变换器。然而，目前的晶闸管有超过音频范围(约20KHz)的频率上限，并且如果需要上述的两个工作条件该晶闸管也可用于非常大功率的应用。如果这两个条件还不是令人满意的，就必须使用更贵的可控关断开关，例如GTO、功率MOSFETT和IGBT。与只有一个可控接通时间的晶闸管不同，GTO、MOSFET和IGBT都具有可控接通和可控关断时间，由简单的施加和去消门驱动器信号来触发。在并联谐振变换器中，链脉冲列通常由单极(或单向)电压脉冲所组成，并通常需要以零开关电压进行关断的可控关断开关。在1989年的美国专利4,864,483中，Divan描述了这种并联谐振变换器的例子。在串联谐振变换器中，链脉冲列由AC或单极(单向)电流脉冲所组成。几种使用AC链电流脉冲的现有串联谐振变换器已由下列美国专利所公开3,953,779 Schwarz(1976)4,096,557 Schwarz(1978)4,495,555 Eikelboom(1985)4,523,269 Baker等人(1985)4,648,017 Nerone(1987)4,679,129 Sakakibara等人.(1987)4,695,933 Nguyen(1987)4,727,469 Kammiller(1988)4,853,832 Stuart(1989)由于链脉冲是使晶闸管以零电流关断的电流脉冲，工作特性称“自然换向”，则不需要更昂贵的可控关断开关(例如，GTO、IGBT)。为了允许这些AC链电流脉冲的流动，输入和输出装置都必须由双向开关组成，例如，两个反向并联连接的晶闸管。例如，这种被设计成能够反馈的三相AC输入和输出的串联谐振变换器具有十二对反向并联的开关元件。如美国专利5,010,471所述的，由Klaassens和Lauw所专利技术的改进方案。借助于把通过现有串联谐振变换器的AC链电流的峰值进行大致倍增，Klaassens和Lauw用半桥形式来代替输入和输出开关装置的全桥形式。结果Klaassens/Lauw变换器只需要现有全桥串联谐振变换器的开关元件数的一半，而不考虑是双向开关还是反向并联对的单向开关。由于用AC链电流脉冲的串联谐振变换器使用双向开关元件，或反向并联对的单向开关元件，饱和电抗器串联嵌入每个开关。该饱和电抗器避免了晶闸管公知的dv/dt导道干扰，即，由正极到负极电压的过大变化率而引起的非预定时间的晶闸管导道。大量的饱和电抗器和普通的并联容性阻尼器，两者都提高了变换器的成本、尺寸和体积。进而，这些饱和电抗器迫使设计者使用具有反向阻断电压能力的开关元件。设计者也必须把链电流脉冲的空间区段的最小持续时间提高到超过由晶闸管的制造厂所设定的关断时间。另一个缺点是，在开关元件的导道时所产生的损耗。由于当电流开始流过开关元件时跨在开关元件上的电压不为零，就会产生这些导道损耗。在美国专利4,942,511(Lipo和Murai)中推荐了一种使用单极(单向)链电流脉冲而不是AC链电流脉冲的DC链串联谐振变换器。该Lipo/Murai变换器给谐振电流脉冲提供了一个偏流。由于链电流是单极的，就只需要单向开关元件。这样，象Klaassens/Lauw半桥串联谐振变换器一样，Lipo本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在第一和第二电路之间交换能量的单极串联谐振变换器，包括：第一和第二开关装置，它们与对应的第一和第二电路连接；一个连接在第一和第二开关装置之间的谐振电路，该谐振电路具有一个谐振电容器和一个谐振电感器，它们串联连接；和一个与 该谐振电容器耦合连接的链电流合成器，该合成器响应一个用于产生一个链电流的合成器控制信号，该链电流包括一系列单极链电流脉冲，该合成器具有一个与谐振电容器串联连接的阻断开关，它用于在激发每个单极链电流脉冲中使谐振电路不振荡。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：海恩K劳，
申请(专利权)人：埃墨森电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]