專利名稱：串聯(lián)n個(gè)源極輸出器的三相n線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種串聯(lián)N個(gè)源極輸出器的三相N線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是在先行發(fā)明專利“跟蹤式電力有源濾波器”(專利號(hào)00112420.X)的基礎(chǔ)上提出的，先行發(fā)明已在單相系統(tǒng)中較好地實(shí)現(xiàn)了期望目標(biāo)，但由于與開關(guān)單元復(fù)合時(shí)，需成倍增加功率器件，成本有所增加，構(gòu)成三相系統(tǒng)的“性價(jià)比”難于為企業(yè)接受，從而限制了這一原創(chuàng)專利成果的發(fā)展空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種串聯(lián)N個(gè)源極輸出器的三相N線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置。
本發(fā)明所提供的串聯(lián)N個(gè)源極輸出器的三相N線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置，其特征在于由三相開關(guān)濾波單元2(可以是逆變器)向三相線性單元3供電，單元2的前級(jí)單元1可以為AC/DC整流器，當(dāng)開關(guān)濾波單元2中含交流斬波器時(shí)，單元1被省略；在三相三線制系統(tǒng)中，僅用三個(gè)功率器件構(gòu)成線性單元3，其中每相中的一個(gè)功率器件與另一相中的一個(gè)功率器件構(gòu)成“源極或射極輸出器對(duì)管”，采用線電壓紋波供電方式；在三相四線制系統(tǒng)中，用四個(gè)功率器件構(gòu)成線性單元3，其中一個(gè)器件是三相共用的，反串在Y接型負(fù)載的中性點(diǎn)和中線之間，采用相電壓紋波供電方式。當(dāng)單元2輸出的三相紋波供電電壓和負(fù)載上電壓都按比例跟蹤單元4輸出的同一個(gè)三相參考信號(hào)時(shí)，就在三相負(fù)載7上得到與該信號(hào)同頻、同相、同形狀，幅值成比例的功率級(jí)電壓。其比例關(guān)系由電壓放大單元5和取樣單元6決定。由于開關(guān)濾波單元2輸出的紋波供電瞬時(shí)電壓Vs包絡(luò)于負(fù)載電壓VL，且僅比負(fù)載上的瞬時(shí)電壓VL高幾伏，相當(dāng)于功率器件的管飽和壓降數(shù)量級(jí)。因此它在實(shí)現(xiàn)高效功率傳遞的同時(shí)，保持了源極或射極輸出器型線性功率放大器優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能；而裝置的體積、重量均接近同容量開關(guān)變換器。
該變換裝置，當(dāng)N為三時(shí)，即為串聯(lián)三個(gè)源極輸出器的三相三線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置；當(dāng)N為四時(shí)，即為串聯(lián)四個(gè)源極輸出器的三相四線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置。為了保持“源極或射極輸出器”型線性功率放大器保真?zhèn)鬟f功率信號(hào)，兼有負(fù)載階躍擾動(dòng)時(shí)的優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能，適應(yīng)阻、感、容等線性負(fù)載和某類晶閘管等非線性負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)；但又能擯棄線性功率放大器效率偏低，重量和體積偏大的缺點(diǎn)，在高效傳遞功率的前提下，取同容量開關(guān)放大器相近的重量和體積，而獲取優(yōu)于開關(guān)放大器的靜、動(dòng)態(tài)性能，用于高性能功率變換領(lǐng)域。
本發(fā)明延續(xù)了先行發(fā)明專利(專利號(hào)00112420.X)的基本思路，充分利用MOSFET功率場效應(yīng)管的溝道雙向?qū)щ姍C(jī)理，在構(gòu)成三相三線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置時(shí)，僅用三個(gè)功率器件構(gòu)成線性單元，由每相中的一個(gè)功率器件與另一相中的一個(gè)功率器件構(gòu)成“源極或射極輸出器對(duì)管”，采用三相開關(guān)濾波單元線電壓紋波供電方式；在構(gòu)成三相四線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置時(shí)，用四個(gè)功率器件構(gòu)成線性單元，其中一個(gè)器件是三相共用的，采用三相開關(guān)濾波單元相電壓紋波供電方式。這比用“源極或射極輸出器對(duì)管”構(gòu)成一相基本線性單元后，再由三個(gè)基本線性單元組成三相開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置節(jié)省了大量功率器件，從而降低此類三相系統(tǒng)的制造成本；為廉價(jià)實(shí)現(xiàn)高性能三相開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置提供了控制與電路結(jié)構(gòu)最簡便的技術(shù)方案；進(jìn)而為要求輸出電壓THD％值低、適應(yīng)多類負(fù)載和抗負(fù)載擾動(dòng)及參數(shù)變化能力強(qiáng)的、高性能抑制諧波型的三相調(diào)壓器、電機(jī)起動(dòng)器、變頻電源、超低頻電機(jī)調(diào)速變頻器和其它特種電源的問世或更新?lián)Q代提供了母本。


圖1是本發(fā)明裝置的電路特征結(jié)構(gòu)原理框圖；其中，實(shí)線部分為三相三制系統(tǒng)，實(shí)線部分加虛線部分為三相四線制系統(tǒng)。
圖2與圖1相對(duì)應(yīng)，用波形說明線性傳遞功率時(shí)能取得高效率。
圖3是本發(fā)明用于三相三線制系統(tǒng)時(shí)，“串聯(lián)三個(gè)源極輸出器的開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置”的一種組合電路；圖4是其組合細(xì)節(jié)。
圖5、圖6是反映圖4中器件處于特殊工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電壓跟蹤門極電壓的實(shí)測波形。
圖7是本發(fā)明用于三相四線制系統(tǒng)時(shí)，“串聯(lián)四個(gè)源極輸出器的開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置”的一種組合電路；圖8是其組合細(xì)節(jié)。
圖9是圖8各點(diǎn)的實(shí)測特征波形。
圖10是本發(fā)明根據(jù)圖3、圖4的一種實(shí)施例；圖11、圖12是說明該實(shí)施例優(yōu)良性能的實(shí)測波形。
圖13是本發(fā)明根據(jù)圖7、圖8的一種實(shí)施例。
圖14是本發(fā)明根據(jù)圖3、圖4的又一種實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
圖1中，單元2的前級(jí)單元1可以為AC/DC整流器。當(dāng)開關(guān)濾波單元2為交流斬波器時(shí)，單元1被省略。三相開關(guān)濾波單元2向三相線性單元3供電。單元3向負(fù)載供電。
圖1實(shí)線部分表示三相三線制的情況其中，線性單元3僅用三個(gè)功率器件構(gòu)成單元3-1中的三相，其中每相中的一個(gè)功率器件與另一相中的一個(gè)功率器件構(gòu)成“源極或射極輸出器對(duì)管”；采用線電壓紋波供電方式。當(dāng)單元2輸出的三相紋波供電電壓和負(fù)載上電壓都按比例跟蹤單元4中同一個(gè)三相參考信號(hào)時(shí)，就在Y聯(lián)接或Δ聯(lián)接的三相負(fù)載單元7上得到與該三相信號(hào)同頻、同相、同形狀，幅值成比例的功率級(jí)電壓。其比例關(guān)系由電壓放大單元5和取樣單元6決定。其中，單元6輸出的小信號(hào)作用于開關(guān)濾波單元2內(nèi)部的控制器，施控于單元2中各開關(guān)功率器件的門極；而電壓放大單元5輸出的三相電壓信號(hào)接于線性單元3中三個(gè)“源極或射極輸出器”線性功率器件的門極g1、g2、g3。
圖1實(shí)線加虛線部分表示三相四線制的情況其中，線性單元3由三個(gè)功率器件構(gòu)成單元3-1中的三相；一個(gè)器件構(gòu)成單元3-2，為三相共用，反串在Y接型負(fù)載的中性點(diǎn)和中線之間；采用相電壓紋波供電方式。它與三相三線制的工作方式基本上相同，但電壓放大單元5還為3-2中器件的門極g4提供了一路三相公共的被跟蹤信號(hào)。
圖2中，開關(guān)濾波單元2輸出的紋波供電瞬時(shí)電壓VS包絡(luò)于負(fù)載電壓VL，且僅比負(fù)載上的瞬時(shí)電壓VL高幾伏(相當(dāng)于功率器件的管飽和壓降數(shù)量級(jí))。線性單元3處于開關(guān)濾波單元2和負(fù)載單元7之間，供電電壓紋波恰降落于單元3中的功率器件兩端。器件工作于源極或射極輸出器，即電壓跟隨器的線性狀態(tài)，功率損耗卻只有低管壓降與管中電流的乘積。因此在實(shí)現(xiàn)高效功率傳遞的同時(shí)，保持了源極或射極輸出器型線性功率放大器優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能。
隨著壓控型功率器件制造工藝的不斷進(jìn)步，新器件的通態(tài)電阻值可越做越小，使管子的通態(tài)電壓更小，開通閾值更低；從而存在進(jìn)一步提高效率的潛力。再則，復(fù)合了線性單元的前級(jí)開關(guān)濾波單元，可選小于常規(guī)的LC參數(shù)濾波。開關(guān)濾波單元的效率也適當(dāng)提高，兩級(jí)復(fù)合后的總效率可不低于同容量的純開關(guān)濾波裝置，總效率在市電級(jí)電壓供電狀態(tài)可達(dá)95％左右。
圖3是本發(fā)明用于三相三線制系統(tǒng)時(shí)“串聯(lián)三個(gè)源極輸出器的開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置”的一種組合電路；圖4是單元3與7的組合細(xì)節(jié)。其中，單元3，即圖1中的3-1，由三個(gè)MOSFET功率管T1、T2、T3構(gòu)成三相源極輸出器，即源極跟隨器，工作于跟隨門極g1、g2、g3電壓，即電壓放大單元5輸出的線電壓信號(hào)的線性狀態(tài)。
對(duì)應(yīng)參考信號(hào)，即紋波電源線電壓Vab的正半周，線電流從a相紋波電源流經(jīng)T1、a相負(fù)載、b相負(fù)載后，可以有兩條路徑返回b相紋波電源。一條是經(jīng)T2管內(nèi)部襯底的寄生反并聯(lián)二極管DT2；另一條是經(jīng)T2管內(nèi)部的導(dǎo)電溝道反流。此時(shí)源極與漏極功能對(duì)調(diào)。當(dāng)電壓放大單元5輸出的線電壓信號(hào)Vab的幅值加于a、b相的線性功率管的門極g1、g2，被調(diào)整得過于接近紋波電源線電壓Vab的幅值時(shí)，由于MOSFET器件制造工藝上將襯底與一端內(nèi)部連接，使溝道雙向?qū)щ姷那闆r不完全對(duì)稱，T2管會(huì)比T1管的工作狀態(tài)先進(jìn)入可變電阻區(qū)邊界，管上壓降接近反并聯(lián)二極管DT2的鉗位電壓，此時(shí)線電流主要經(jīng)DT2襯底路徑返回電源。當(dāng)電壓放大單元5輸出的線電壓信號(hào)Vab的幅值保持低于紋波電源線電壓Vab的幅值2伏左右時(shí)，線電流同時(shí)經(jīng)源漏極功能對(duì)調(diào)的T2管內(nèi)部的導(dǎo)電溝道和襯底的寄生反并聯(lián)二極管DT2兩條路徑返回電源，但DT2上電壓高于二極管鉗位電壓。這時(shí)，源、漏、門極間電壓差值很小，MOSFET場效應(yīng)管內(nèi)部襯底的阻值不能忽略，寄生反并聯(lián)二極管應(yīng)更精確地等效為一個(gè)三極管，起分流作用。
對(duì)應(yīng)參考信號(hào)，即紋波電源線電壓Vab的負(fù)半周，線電流從b相紋波電源流經(jīng)T2、b相負(fù)載、a相負(fù)載后，可以有兩條路徑返回a相紋波電源。一條是經(jīng)T1管內(nèi)部襯底的寄生反并聯(lián)二極管DT1；一條是經(jīng)T1管內(nèi)部的導(dǎo)電溝道反流。此時(shí)源極與漏極功能對(duì)調(diào)。當(dāng)電壓放大單元5輸出的線電壓信號(hào)Vab的幅值，加于a、b相的線性功率器件的門極g1、g2，被調(diào)整得過于接近紋波電源線電壓Vab的幅值時(shí)，由于MOSFET器件制造工藝上將襯底與一端內(nèi)部連接，使溝道雙向?qū)щ姷那闆r不完全對(duì)稱，T1管會(huì)比T2管的工作狀態(tài)先進(jìn)入可變電阻區(qū)邊界，管上壓降接近反并聯(lián)二極管DT1的鉗位電壓，此時(shí)線電流主要經(jīng)DT1襯底路徑返回電源。當(dāng)電壓放大單元5輸出的線電壓信號(hào)Vab的幅值保持低于紋波電源線電壓Vab的幅值2伏左右時(shí)，線電流同時(shí)經(jīng)源漏極功能對(duì)調(diào)的T1管內(nèi)部的導(dǎo)電溝道和襯底的寄生反并聯(lián)二極管DT1兩條路徑返回電源，但DT1上電壓高于二極管鉗位電壓。這時(shí)，源、漏、門極間電壓差值很小，MOSFET場效應(yīng)管內(nèi)部襯底的阻值不能忽略，寄生反并聯(lián)二極管應(yīng)更精確地等效為一個(gè)三極管，起分流作用。
僅當(dāng)線電流主要選擇MOSFET源漏極功能對(duì)調(diào)的導(dǎo)電溝道返回電源時(shí)，才能在線電壓負(fù)載上得到跟蹤g1、g2兩端門極線電壓Vab正負(fù)半周的完整波形。這也正是本發(fā)明應(yīng)設(shè)置的狀態(tài)。當(dāng)MOSFET襯底反并聯(lián)二極管成為線電流返回電源的主要路徑時(shí)，其鉗位作用凸顯，只能在線電壓負(fù)載上得到跟蹤g1、g2兩端門極電壓Vab半周和紋波電源線電壓Vab另半周的合成整周波形；電源紋波將出現(xiàn)在負(fù)載上電壓波形的另半周。這正是本發(fā)明應(yīng)避免設(shè)置的狀態(tài)。
對(duì)應(yīng)參考信號(hào)，即紋波電源線電壓Vbc、Vca正負(fù)半周的工作情況與以上描述類似。
圖5、圖6是反映器件特殊工作狀態(tài)的實(shí)測負(fù)載電壓波形。其中圖5反映調(diào)整正確的狀態(tài)；圖6反映調(diào)整時(shí)需避免的狀態(tài)。
圖7是本發(fā)明用于三相四線制系統(tǒng)時(shí)“串聯(lián)四個(gè)源極輸出器的開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置”的一種組合電路；圖8是單元3的子單元3-1、3-2與單元7的組合細(xì)節(jié)。其中，單元3-1由三個(gè)MOSFET功率管T1、T2、T3構(gòu)成三相正向源極輸出器，單元3-2為一個(gè)三相共用的負(fù)向源極輸出器線性功率管T4，反串在Y接型負(fù)載的中性點(diǎn)和中線之間，采用相電壓紋波供電方式。除了為T1、T2、T3的門極g1、g2、g3提供被跟蹤信號(hào)以外，電壓放大單元5還為T4的門極g4提供了一路三相公共的被跟蹤信號(hào)。三相源極輸出器，即源極跟隨器，工作于跟隨門極電壓的線性狀態(tài)；單元7由三相Y型連接的負(fù)載組成。其工作原理與圖3、圖4中的情況類似。不同之處在于T4管的每個(gè)瞬時(shí)均通過雙向電流，分別流經(jīng)MOSFET管的溝道和襯底；且三相電流總和為零，酷似一段導(dǎo)線；然而，其本質(zhì)并非導(dǎo)線，每相負(fù)載上得到跟蹤該相MOSFET功率管門極和公共管T4門極的電壓波形，T4管本身兩端的電壓波形變換規(guī)律也有別于圖3、圖4電路中的正向源極輸出器。
圖9是實(shí)測三相四線制系統(tǒng)中，串聯(lián)四個(gè)源極輸出器功率管T1、T2、T3、T4時(shí)，各管的特殊波形和三相正常工作的各點(diǎn)跟蹤電壓波形，以及一相負(fù)載電流波形。它更充分地證實(shí)了MOSFET功率器件溝道和襯底同時(shí)導(dǎo)電的特殊功能。
圖10是本發(fā)明根據(jù)圖3、圖4的一種實(shí)施例，用于三相三線制系統(tǒng)。當(dāng)開關(guān)濾波單元2中含交流斬波器時(shí)，單元1被省略；其單元4輸出的三相參考信號(hào)應(yīng)從三相電源取樣，與之同步；與負(fù)載串聯(lián)的開關(guān)管斷態(tài)時(shí)濾波儲(chǔ)能的續(xù)流通路由π形LC網(wǎng)絡(luò)提供，通過合理配置參數(shù)，創(chuàng)造準(zhǔn)零開關(guān)條件。這使單元2的效率高于常規(guī)交流斬波器濾波單元；從而復(fù)合出最少功率器件的高性能“三相開關(guān)線性復(fù)合功率變換調(diào)壓裝置”。
圖11、圖12是說明圖10實(shí)施例優(yōu)良性能的實(shí)測波形。其中圖11說明，在負(fù)載由100Ω突變至50Ω時(shí)，電流階躍變化沖擊下，開關(guān)濾波單元的供電波形已被迫突變，但線性單元卻因源極輸出器具有高阻輸入、低阻輸出特性而維持了對(duì)門極信號(hào)的完全跟蹤；體現(xiàn)了本發(fā)明裝置的負(fù)載魯棒性很強(qiáng)。圖12說明，在對(duì)整流濾波非線性負(fù)載供電時(shí)，開關(guān)濾波單元的供電波形已被迫畸變，出現(xiàn)平頂，但線性單元卻因源極輸出器具有高阻輸入、低阻輸出特性而維持了對(duì)門極信號(hào)的完全跟蹤；體現(xiàn)了本發(fā)明裝置的負(fù)載適應(yīng)性很強(qiáng)。
圖13是本發(fā)明根據(jù)圖7、圖8的一種實(shí)施例，用于三相四線制系統(tǒng)。當(dāng)開關(guān)濾波單元2中含交流斬波器時(shí)，單元1被省略。其單元4輸出的三相參考信號(hào)應(yīng)從三相電源取樣，與之同步。中線與單元2、單元3的中性點(diǎn)連接。工作原理與圖3、圖4中對(duì)應(yīng)單元一致；僅比三相三線制系統(tǒng)多一個(gè)功率器件。
圖14為本發(fā)明根據(jù)圖3、圖4的另類實(shí)施例。單元2為逆變?yōu)V波器。當(dāng)信號(hào)單元4輸出三相幅頻可調(diào)信號(hào)時(shí)，在負(fù)載上得到三相幅頻可調(diào)電壓，用于高性能變頻電源或電機(jī)調(diào)速，能在0.1Hz左右超低頻運(yùn)行時(shí)獲得優(yōu)于同等控制決策條件下的其它變頻器系統(tǒng)的性能，含轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，THD，抗負(fù)載參數(shù)變化魯棒性等。
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)N個(gè)源極輸出器的三相N線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置，其特征是由三相開關(guān)濾波單元(2)向三相線性單元(3)供電，單元(2)的前級(jí)單元(1)為AC/DC整流器，當(dāng)開關(guān)濾波單元(2)中含交流斬波器時(shí)，單元(1)被省略；在三相三線制系統(tǒng)中，僅用三個(gè)功率器件構(gòu)成線性單元(3)，其中每相中的一個(gè)功率器件與另一相中的一個(gè)功率器件構(gòu)成“源極或射極輸出器對(duì)管”，采用線電壓紋波供電方式；在三相四線制系統(tǒng)中，用四個(gè)功率器件構(gòu)成線性單元(3)，其中一個(gè)器件是三相共用的，反串在Y接型負(fù)載的中性點(diǎn)和中線之間，采用相電壓紋波供電方式，當(dāng)單元(2)輸出的三相紋波供電電壓和負(fù)載上電壓都按比例跟蹤單元(4)輸出的同一個(gè)三相參考信號(hào)時(shí)，就在三相負(fù)載(7)上得到與該信號(hào)同頻、同相、同形狀，幅值成比例的功率級(jí)電壓，其比例關(guān)系由電壓放大單元(5)和取樣單元(6)決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換裝置，其特征在于單元(6)輸出的小信號(hào)作用于開關(guān)濾波單元(2)內(nèi)部的控制器，施控于單元(2)中各開關(guān)功率器件的門極；電壓放大單元(5)輸出的三相電壓信號(hào)接于線性單元(3)中“源極或射極輸出器”線性功率器件的門極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換裝置，其特征在于串聯(lián)四個(gè)源極輸出器的三相四線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置的線性單元(3)由子單元(3-1)和子單元(3-2)合成，其中子單元(3-1)由三個(gè)MOSFET或類似的壓控器件構(gòu)成正向源極或射極輸出器；子單元(3-2)就是一個(gè)三相共用的線性MOSFET或類似的壓控器件—負(fù)向“源極或射極輸出器”；電壓放大單元(5)輸出的三相和零線電壓信號(hào)，分別接于線性單元(3)中四個(gè)“源極或射極輸出器”線性功率器件的門極g1、g2、g3、g4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換裝置，其特征在于任意一種三相開關(guān)濾波電路構(gòu)成單元(2)后，與“權(quán)利要求1或2或3”中所述的特征電路組合派生的系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種串聯(lián)N個(gè)源極輸出器的三相N線制開關(guān)線性復(fù)合功率變換裝置。該裝置用線性單元與紋波供電的開關(guān)濾波單元復(fù)合后，用較少的功率器件、簡單的控制與電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了“源極或射極輸出器”型線性功率放大器保真?zhèn)鬟f功率信號(hào)，兼有負(fù)載階躍擾動(dòng)時(shí)的優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能，適應(yīng)阻、感、容等線性負(fù)載和某類晶閘管等非線性負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)；又同時(shí)擯棄了線性功率放大器效率偏低，重量和體積偏大的缺點(diǎn)，從而獲取優(yōu)于開關(guān)放大器的靜、動(dòng)態(tài)性能。本發(fā)明為高性能抑制諧波型的三相調(diào)壓器、電機(jī)起動(dòng)器、變頻電源、超低頻電機(jī)調(diào)速變頻器和其它特種電源的問世或更新?lián)Q代提供了母本。
文檔編號(hào)H02M1/12GK1913313SQ200610088110
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2006年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月24日
發(fā)明者周謙之, 吳斌, 胡文華 申請(qǐng)人:安徽工業(yè)大學(xué)