專利名稱：用于與電源連接的閘流管電橋的保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于與電源連接的閘流管電橋的保護(hù)電路，該電路用于向與它相連接的能量回路提供能量并且從該回路中得到反饋，該電路連接在閘流管電橋與能量回路之間。
許多情況下，三相交流電網(wǎng)中用于能量反饋的閘流管電橋與一個(gè)供電電橋反并聯(lián)，該供電電橋?qū)⑷嚯娏W(wǎng)中的三相電壓轉(zhuǎn)化為反相換流器所需的間接回路直流電壓(Zwischenkreis-Gleichspannung)，反相換流器為三相電機(jī)供電。例如，當(dāng)需要電機(jī)制動(dòng)時(shí)，間接回路中的能量將通過反饋電橋反饋回三相電網(wǎng)中。本發(fā)明涉及以同樣的方式使用閘流管電橋?qū)⒛芰繌闹绷麟娋W(wǎng)，例如光電設(shè)備的直流電網(wǎng)或直流電機(jī)的制動(dòng)能量，向三相電網(wǎng)傳遞。
Franz Zach在《Leistungselektronik》(施普林格出版社，維也納——紐約1979)一書中介紹了這種類型的電橋和它的相關(guān)理論，另外，在AT 404 414 B中，申請人介紹了利用電橋控制電路識(shí)別翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象以防止橫向擊穿(Querzuenden)的方法。


圖1所示為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的包括供電電橋B和反饋電橋B’的復(fù)式電橋。供電電橋包括每兩個(gè)同向串聯(lián)的閘流管V4、V1；V6、V3和V2、V5。每對串聯(lián)的閘流管兩端的電壓為Ug，該電壓也是間接回路電容Czk兩端的電壓。在電容Czk和電橋之間接有一個(gè)間接回路保險(xiǎn)絲Fzk，在某些情況下還接有一個(gè)間接回路扼流圈Lzk。反饋電橋B’的每對閘流管V4’、V1’；V3’、V6’；V5’、V2’之間的連接點(diǎn)通過整流扼流圈Lkr，Lks和Lkt以及電源保險(xiǎn)絲FN分別連接到三相電網(wǎng)的相R、S、T上。
閘流管V1，…，V6通過一個(gè)圖中未表示出來的閘流管控制電路THS與電網(wǎng)同步觸發(fā)，其中閘流管的編號與相R，S，T處的右旋場中的觸發(fā)次序相對應(yīng)。通常情況下，控制電路也是控制回路中的一部分，其中例如可以通過推移閘流管的觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)來調(diào)節(jié)直流電壓Ug。
當(dāng)使用閘流管為一個(gè)直流電機(jī)供電時(shí)，該直流電機(jī)接在間接回路電容的位置。這種使用情況下，電壓的符號經(jīng)常發(fā)生改變，工作狀態(tài)可能出現(xiàn)在全部的四個(gè)象限中。
在三相電網(wǎng)的電壓過低或間接回路電壓Ug過高的情況下，當(dāng)向三相電網(wǎng)進(jìn)行能量反饋時(shí)可能發(fā)生所謂的“反相換流器翻轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，在上述Zach的文獻(xiàn)中可以查到(p.236.f)。此時(shí)，將發(fā)生以下過程。
當(dāng)電流的電網(wǎng)相位為RS(電網(wǎng)電壓URS)時(shí)，電橋中的一對閘流管，例如V1和V6導(dǎo)通。在下一個(gè)周期中，當(dāng)向閘流管V2發(fā)出觸發(fā)脈沖后，間接回路電流Id將由V6轉(zhuǎn)為向V2流動(dòng)，進(jìn)行整流，其間閘流管V1還繼續(xù)導(dǎo)通。耦合電壓UST的瞬時(shí)值作為整流電壓。
這里需要注意的是，在向閘流管V2發(fā)出觸發(fā)脈沖的同時(shí)也需要向閘流管V1發(fā)出第二個(gè)觸發(fā)脈沖，因?yàn)槊總€(gè)閘流管在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，應(yīng)在2/6個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)導(dǎo)通。但是該第二脈沖僅用于在間歇缺電流(Lueckend Strom)的情況下確保有電流通過。在理想情況下，即不出現(xiàn)間歇電流時(shí)，這樣的第二脈沖是不必要的，因?yàn)橐延|發(fā)的閘流管保持導(dǎo)通直至電流為零。
如果由于上述某一項(xiàng)原因，例如由于電網(wǎng)的電壓不足，將使得整流失效，閘流管V1和V6中的電流繼續(xù)保持并且該電流的值不斷增大，另外有效電壓URS將不斷正向增大，而間接回路電容Czk的驅(qū)動(dòng)電壓Ug將不斷負(fù)向增長，上述過程稱為“反相換流器翻轉(zhuǎn)”。
由“電網(wǎng)R相-閘流管V1-間接回路電容Czk-閘流管V6-電網(wǎng)S相”所組成的回路的電流升高由電感有效值決定，該有效電感包括整流扼流圈LKR+LKS+電網(wǎng)阻抗—間接回路扼流圈LZK。在一定的時(shí)間之后，即在回路中通過一定的過電流時(shí)，電源引線中的保險(xiǎn)絲FN，或間接回路中的保險(xiǎn)絲FZK，或一個(gè)沒有表示出來的與閘流管串聯(lián)的保險(xiǎn)絲將熔斷，切斷電流，保護(hù)閘流管V1和V6。
如果保險(xiǎn)熔斷時(shí)間過長，以至于在切斷電流前根據(jù)觸發(fā)次序下一個(gè)閘流管已經(jīng)被觸發(fā)，例如上例中的閘流管V3，則出現(xiàn)了所謂的“橫向擊穿”，這時(shí)間接回路的電壓Ug將直接通過兩個(gè)閘流管而短路(上例中的閘流管V3和V6)。此時(shí)在“閘流管V6-閘流管V3-間接回路電容Czk”所組成的回路中不存在扼流圈LZK，電流的上升只能通過間接回路的導(dǎo)線電感來限制。由于通常情況下導(dǎo)線電感的值很小，從而電流的上升很迅速，使得間接回路中的保險(xiǎn)絲FZK或與閘流管串聯(lián)的保險(xiǎn)絲不能對閘流管起到保護(hù)作用。如果直流電網(wǎng)中的能量足夠大(這里的間接回路電容Czk所存儲(chǔ)的能量)，在保險(xiǎn)絲切斷電源前將出現(xiàn)橫向擊穿現(xiàn)象，破壞相應(yīng)的閘流管，例如上例中的V3和V6。
換流器翻轉(zhuǎn)作為與電網(wǎng)連接的換流器電路的基本特性是不可避免的，但是正確選擇電源保險(xiǎn)絲、間接回路保險(xiǎn)絲和閘流管支路保險(xiǎn)絲雖不能完全避免，卻可以大大減少閘流管損壞的發(fā)生。
如上所述的作為“換流器翻轉(zhuǎn)”結(jié)果的“橫向擊穿”并不出現(xiàn)在所有按上述觸發(fā)次序?qū)ǖ拈l流管電流傳導(dǎo)中。“橫向擊穿”對閘流管的損害可以通過間接回路中限制電流增長的相應(yīng)設(shè)計(jì)的扼流圈LZK加以避免，或通過AT 404 414中的電路加以避免。AT 404 414中的電路可以識(shí)別換流器翻轉(zhuǎn)的發(fā)生，據(jù)此發(fā)出觸發(fā)脈沖阻斷相應(yīng)的閘流管。
根據(jù)圖1，將各個(gè)閘流管上的電壓引入到閘流管控制電路THS中的測量與估值電路MAS，MAS將得到的值送入到觸發(fā)電路ZUN中。例如圖1所示的電路將提供一個(gè)翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號Sk，這對于本發(fā)明同樣是重要的。
本發(fā)明的任務(wù)是盡量避免使用常規(guī)的開關(guān)元件，例如保險(xiǎn)絲、機(jī)械式瞬時(shí)開關(guān)、或昂貴的強(qiáng)制換向開關(guān)、以及限流扼流圈，并減少電路的開銷以及用于單個(gè)使用實(shí)例中的設(shè)計(jì)工作量。
該任務(wù)通過開始時(shí)所提到的類型的電路來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明，在保護(hù)電路的縱向分支中設(shè)置了至少一個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的與反饋方向同極性的IGBT三極管，當(dāng)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號時(shí)(該翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號引入該三極管所屬的控制電路)，反并聯(lián)二極管可以截止。
由于實(shí)施本發(fā)明，當(dāng)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)電流時(shí)可以迅速切斷電路，從而避免發(fā)生嚴(yán)重的和/或成本高昂的運(yùn)行故障，即使當(dāng)間接電路的電感很低時(shí)，例如小于100μH，該方法也十分有效。
考慮到能量反饋可能也是由于輸出電壓的翻轉(zhuǎn)所引起的，提供了一種有利的變型，在保護(hù)電路的縱向支路中設(shè)置兩個(gè)反極性串聯(lián)的IGBT三極管。
在另一種由于同樣的原因具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，在其縱向支路中設(shè)置有一個(gè)與第一輔助三極管串聯(lián)連接的第一IGBT三極管，與所述第一串聯(lián)電路并聯(lián)一個(gè)第二串聯(lián)電路，該第二串聯(lián)電路由第二IGBT三極管和第二輔助二極管串聯(lián)組成，在每個(gè)串聯(lián)電路中三極管和二極管極性相同，但一個(gè)串聯(lián)電路中的三極管和二極管與另一個(gè)串聯(lián)電路中的二極管和三極管的極性相反。
為在各種情況下避免內(nèi)部反并聯(lián)二極管過載，可以在每個(gè)IGBT三極管的反并聯(lián)二極管處并聯(lián)一個(gè)外部二極管。這樣也可以減少供電方向上的損耗。
考慮到可能出現(xiàn)的有害的過電壓情況，特別是電網(wǎng)阻抗和/或直流回路的開關(guān)操作過程出現(xiàn)的過電壓情況，建議在輸入和/或輸出端通過過壓保護(hù)放電器進(jìn)行保護(hù)，或在IGBT三極管的集射極跨距(Kollektor-Emitter-Strecke)中通過過壓保護(hù)放電器進(jìn)行保護(hù)。
由于閘流管的控制電路中無法提供換流器翻轉(zhuǎn)信號，或?qū)С龅男盘栁⑷酰ㄗh了一種實(shí)施例，其中翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號由閘流管控制電路提供。
如果翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號的值超過了至少一個(gè)IGBT三極管的飽和電壓，則一個(gè)由于其他原因出現(xiàn)的過高縱向電流也可以當(dāng)作換流器翻轉(zhuǎn)而被識(shí)別出來。
下文將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明以及它的其他優(yōu)點(diǎn)，其中圖1根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)式閘流管電橋，圖2一種使用單一IGBT三極管的本發(fā)明實(shí)施方式的原理電路圖，圖3圖2中所示實(shí)施方式的一種具體變型，接有一個(gè)外部二極管和一個(gè)過壓保護(hù)放電器，圖4一種使用兩個(gè)串聯(lián)的IGBT三極管的本發(fā)明實(shí)施方式，圖5本發(fā)明的另一種使用兩個(gè)串聯(lián)的IGBT三極管的實(shí)施方式，圖6一種類似于圖2所示的實(shí)施方式，其中只在反饋回路中設(shè)置保護(hù)電路。
圖2所示為一個(gè)如發(fā)明所述的保護(hù)電路SCH，它接在與電網(wǎng)相連接的閘流管電橋B，B’(見上面圖1的說明)與一個(gè)間接回路或帶有間接回路電容CZK和負(fù)載LAS的負(fù)載回路之間。保護(hù)電路的縱向支路由IGBT三極管GT1和一個(gè)與它的導(dǎo)通方向相反并聯(lián)的二極管，即所謂的反并聯(lián)二極管D1組成。通常，該二極管D1與三極管GT1集成在一個(gè)外殼內(nèi)。
控制電路AST用于控制三極管GT1，本例中由閘流管控制電路THS發(fā)出一個(gè)翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號SK，翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號引入控制電路AST。此外也可以如圖2中所示，將三極管GT1的集電極和發(fā)射級之間的電壓Us1接入控制電路AST。
工作中，三極管GT1也可以在供電運(yùn)行階段通過控制信號sa1保持持續(xù)接通。供電方向上的電流流過反并聯(lián)二極管D1，從而使供電附加損耗小于流過三極管GT1時(shí)的反饋附加損耗。對IGBT三極管GT1的控制以及它的集射極電壓響應(yīng)可通過適當(dāng)?shù)碾娢环蛛x(potentialtrennend)電路實(shí)現(xiàn)，例如通過光電耦合器或光波導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)。
如果出現(xiàn)反相換流器翻轉(zhuǎn)并由此出現(xiàn)信號sK，則信號sa1將使三極管GT1截止。另外，當(dāng)很高的電流流經(jīng)三極管GT1時(shí)，也可以將GT1的飽和電壓作為參考標(biāo)準(zhǔn)，以使三極管在電流過大時(shí)截止——這也是反相換流器中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象。在各種情況下，可以通過使用IGBT三極管對整流設(shè)備以及保險(xiǎn)絲進(jìn)行保護(hù)，省去特定的翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號sk而使用上述的飽和電壓作為截止的依據(jù)。
為提高整流設(shè)備的可使用性，IGBT三極管在截止后可以再次導(dǎo)通。反相換流器翻轉(zhuǎn)只導(dǎo)致短暫的電壓中斷，不會(huì)影響設(shè)備的工作過程。
圖3所示為一種用于提高效率和安全性的附加措施。由于市場上常見的IGBT三極管所附帶的集成反并聯(lián)二極管D1一般小于三極管的集射極跨距，并且可能出現(xiàn)比分立設(shè)置的二極管高的正向電壓，可以根據(jù)實(shí)際要求，通過并聯(lián)一個(gè)更大的外部二極管D1p提高支路的電流導(dǎo)通能力并減小反饋方向上的損耗。
圖3中還使用了一個(gè)過壓保護(hù)放電器，在接入到電網(wǎng)阻抗和/或直流間接回路的過程中出現(xiàn)有害的過電壓時(shí)，它的保護(hù)意義更顯得重要。這里保護(hù)電路SCH的輸入端通過過壓保護(hù)放電器USE得到保護(hù)，輸出端通過過壓保護(hù)放電器USA得到保護(hù)，三極管GT1的集射極跨距通過過壓保護(hù)放電器US1得到保護(hù)。用于其他電壓和電流范圍的這類過壓保護(hù)放電器也可以買到，并且通常構(gòu)成為壓敏電阻器形式。
如果能量反饋只是通過電流反向來進(jìn)行，而不是通過輸出電壓反向來進(jìn)行，則在保護(hù)電路的縱向支路中只需要一個(gè)IGBT三極管，如圖2和圖3所示。如果直流驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)處于四個(gè)象限中，則電流和電壓均可以發(fā)生反向。在這種情況下需要使用兩個(gè)IGBT三極管，如圖4和圖5所示。
圖4中保護(hù)電路SCH的縱向支路內(nèi)串聯(lián)兩個(gè)IGBT三極管GT1和GT2，它們的極性相反。與圖3類似，也設(shè)置了過壓保護(hù)放電器USE、USA、US1和US2。在這里所表示的實(shí)施方式中，使用了與三極管GT1、GT2分別極性相反的集成反并聯(lián)二極管D1和D2，用以導(dǎo)通電流。這里的負(fù)載是一個(gè)帶有前聯(lián)扼流圈的反饋直流電機(jī)M?？刂菩盘栆詓a1，sa2來表示，集射極電壓以Us1和Us2來表示。
如果內(nèi)部二極管D1和D2的電流導(dǎo)通能力過小，可以按照圖5中的電路圖使用兩個(gè)輔助二極管D1h、D2h對內(nèi)部D1和D2去耦?？梢姡诠╇姺较蛏系碾娏髁鬟^IGBT三極管GT2和二極管D2h，在反饋方向上的電流流過二極管D1h和IGBT三極管GT1。
本發(fā)明中所述的保護(hù)電路可以直接安裝在整流設(shè)備內(nèi)部或可選地安裝在設(shè)備外部的直流導(dǎo)線處。本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)對圖中所示的電路進(jìn)行修改。例如當(dāng)電流過大時(shí)可將IGBT三極管改為并聯(lián)連接方式。
圖6中所示的實(shí)施例符合圖2或圖3的原理，但是設(shè)備內(nèi)部的保護(hù)電路僅設(shè)在反饋支路中。這種實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，在供電支路中，電流不必通過反并聯(lián)二極管D1，從而在該方向上不存在附加損耗。另外，這里不需要使用圖3示例中的二極管D1p。
權(quán)利要求
1.用于與電網(wǎng)連接的閘流管電橋(B，B’)的保護(hù)電路(SCH)，該電路為與它相連接的能量回路提供能量并且從該回路中得到反饋，該電路連接在閘流管電橋與能量回路之間，其特征在于，在保護(hù)電路的縱向支路中設(shè)置至少一個(gè)帶有反并聯(lián)二極管(D1，D2；D1p)的、與反饋方向同極性的IGBT三極管(GT1，GT2)，當(dāng)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號(sk，Us1)時(shí)，該三極管可以截止電路，翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號被引入三極管所屬的控制電路(AST)。
2.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)電路(SCH)，其特征在于，在保護(hù)電路(SCH)的縱向支路中設(shè)置串聯(lián)的兩個(gè)極性相反的IGBT三極管(GT1，GT2)。
3.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)電路(SCH)，其特征在于，在保護(hù)電路的縱向支路中將第一IGBT三極管(GT1)與第一輔助二極管(D1h)串聯(lián)，與該第一串聯(lián)電路并聯(lián)一個(gè)第二串聯(lián)電路，它由第二IGBT三極管(GT2)和第二輔助二極管(D2h)串聯(lián)組成，其中在每個(gè)串聯(lián)電路中，二極管與三極管的極性相同，但一個(gè)串聯(lián)電路中的二極管和三極管與另一個(gè)串聯(lián)電路中的二極管和三極管的極性相反。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的保護(hù)電路(SCH)，其特征在于，IGBT三極管(GT1)的反并聯(lián)二極管(D1)與外部二極管(D1p)并聯(lián)連接。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的保護(hù)電路(SCH)，其特征在于，該保護(hù)電路的輸入和/或輸出端通過過壓保護(hù)放電器(USE，USA)進(jìn)行保護(hù)。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的保護(hù)電路(SCH)，其特征在于，至少一個(gè)IGBT三極管(GT1，GT2)的集射極跨距通過過壓保護(hù)放電器(US1，US2)進(jìn)行保護(hù)。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的保護(hù)電路(SCH)，其特征在于，由閘流管電橋(B，B’)的控制電路(THS)給出翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號(Sk)。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的保護(hù)電路(SCH)，其特征在于，將至少一個(gè)IGBT三極管(GT1，GT2)的飽和電壓值作為翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號(sk)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于與電源連接的閘流管電橋的保護(hù)電路，該電路為與它相連接的能量回路提供能量并從該回路中得到反饋，該電路連接在閘流管電橋與能量回路之間。在保護(hù)電路的縱向支路中設(shè)置至少一個(gè)帶有反并聯(lián)二極管(D1，D2；D1p)的、與反饋方向同極性的IGBT三極管(GT1，GT2)，當(dāng)出現(xiàn)引入三極管所屬的控制電路(AST)的翻轉(zhuǎn)識(shí)別信號(s
文檔編號H02M1/00GK1441989SQ01812595
公開日2003年9月10日 申請日期2001年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月11日
發(fā)明者威廉·雷斯徹, 李?yuàn)W·卡爾, 海恩茲·皮科納, 弗朗茲·沃萊爾 申請人:奧地利西門子股份公司