專利名稱：二象限截波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種二象限截波器、關(guān)于一種用于操作二象限截波器的方法、以及關(guān)于一種用于一電驅(qū)動器的控制電路。
背景技術(shù)：
使用包含電壓連結(jié)的頻率轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行電驅(qū)動器的開放回路與封閉回路控制是一種慣常方法。對應(yīng)的控制電路首先是經(jīng)由B6 二極管橋接或經(jīng)由饋入轉(zhuǎn)換器而從電源電壓(在大部分的情況中，是第一三相電壓)產(chǎn)生一直流電壓。所產(chǎn)生的直流電壓為例如700伏特的大小。通過控制電路，直流電壓接著經(jīng)由一轉(zhuǎn)換器而被轉(zhuǎn)換為一第二三相電壓，所述第二三相電壓包含了可調(diào)整為一特定范圍的振幅與頻率。通過改變振幅與頻率，即可設(shè)置 被供應(yīng)第二三相電壓的電動馬達(dá)的扭矩與轉(zhuǎn)速。用于產(chǎn)生第二三相電壓之轉(zhuǎn)換器通常包含六個功率-電子切換器，典型地為IGBT切換器。功率-電子切換器為例如通過根據(jù)空間-向量-調(diào)制方法的脈沖寬度調(diào)制方式而被接入，來產(chǎn)生含有所需振幅與頻率的第二三相電壓。功率-電子IGBT切換器并不在理想方式下運作。若切換器被啟動，就會累積導(dǎo)通損失。此外，在切換器的切換期間累積會累積切換損失。若以高切換頻率來接入功率-電子切換器，所產(chǎn)生的結(jié)果是響應(yīng)時間短、電流波動因子低，但也同時產(chǎn)生高切換損失。若以低切換頻率來接入功率-電子切換器時，切換損失會降低，因而提高效率。然而，較低的切換頻率會伴隨衰減的響應(yīng)時間與較高的電流波動因子。另一種選擇是，通過具有可調(diào)整振幅之三相自動變壓器的方式，將提供作為電源電壓的第一三相電壓直接轉(zhuǎn)換為第二三相電壓以供電動馬達(dá)之用。然而，這種三相自動變壓器具有可觀的尺寸以及相當(dāng)?shù)偷男?。除了包含IGBT切換器之轉(zhuǎn)換器以外，也可使用具有金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)切換晶體管之轉(zhuǎn)換器。借此，可操作具有約2kW功率的小范圍驅(qū)動器。合適的MOSFET切換晶體管在范圍高達(dá)600伏特的阻斷電壓下為可用。通過這些晶體管的方式，可配置具有高達(dá)約400 Vdc電壓連結(jié)的頻率轉(zhuǎn)換器。這類MOSFET轉(zhuǎn)換器的效率可大于99%。由于低損失之故，MOSFET轉(zhuǎn)換器可配置為特別緊密的方式，因而可使MOSFET轉(zhuǎn)換器整合到馬達(dá)中?？衫眉s350 Vdc的直流電壓的方式來供應(yīng)馬達(dá)整合的MOSFET轉(zhuǎn)換器功率。此一350 Vdc的供應(yīng)電壓可以是例如分別利用一降壓轉(zhuǎn)換器或一單象限截波器的方式而從電源電壓所得之直流電壓來產(chǎn)生。因此必須將功率半導(dǎo)體與降壓轉(zhuǎn)換器的電感調(diào)整至最大的可能尖峰電流。這再次產(chǎn)生了降壓轉(zhuǎn)換器的功率損失，降低了整個驅(qū)動器系統(tǒng)的整體效率。除了降壓轉(zhuǎn)換器與單象限截波器以外，也可利用二象限截波器，其可反饋驅(qū)動器中所存儲的功率而保持相對高的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供具有增加效率的二象限截波器，此一目的是由具有如專利權(quán)利要求I所述特征的二象限截波器所達(dá)成。另外，本發(fā)明之目的在于提供一種用于操作具有增加效率的二象限截波器的方法，此一目的是通過具有如專利權(quán)利要求6所述特征的方法來解決。此外，本發(fā)明之目的在于提供一種電驅(qū)動器的控制電路，所述控制電路具有增加的效率；此目的是由具有如專利權(quán)利要求7所述特征的控制電路來解決。在附屬權(quán)利要求中指出了較佳實施方式。根據(jù)本發(fā)明的二象限截波器包含第一節(jié)點、第二節(jié)點、第三節(jié)點與第四節(jié)點。在第一節(jié)點與第二節(jié)點之間施加輸入電壓。在第一節(jié)點與第三節(jié)點之間擷取第一輸出電壓。在第三節(jié)點與第二節(jié)點之間擷取第二輸出電壓。第一電容器設(shè)置在第一節(jié)點與第三節(jié)點之間。第二電容器設(shè)置在第三節(jié)點與第二節(jié)點之間。第一晶體管的集極連接至第一節(jié)點，且第一晶體管的射極連接至第四節(jié)點。第一二極管的陰極連接至第一節(jié)點，且第一二極管的 陽極連接至第四節(jié)點。第二晶體管的集極連接至第四節(jié)點，且第二晶體管的射極連接至第二節(jié)點。第二二極管的陰極連接至第四節(jié)點，且第二二極管的陽極連接至第二節(jié)點。此外，電感器設(shè)置在第三節(jié)點與第四節(jié)點之間。二象限截波器還包括用于測量在電感器中流動的電流的裝置，以及配置用于使第一晶體管與第二晶體管根據(jù)調(diào)制指標(biāo)而在導(dǎo)通狀態(tài)與非導(dǎo)通狀態(tài)之間互相切換的單元。所述調(diào)制指標(biāo)是數(shù)值O. 5以及在在電感器中流動的電流強度與定義虛擬電阻的乘積相關(guān)于輸入電壓量的比率的總和。在所述二象限截波器中，連結(jié)電壓的電容器是有利地被同時使用作為輸出電容器；因此，根據(jù)本發(fā)明之二象限截波器包含比傳統(tǒng)二象限截波器更少的組件。利用所述二象限截波器，即可使具有相似整體尖峰功率的兩個驅(qū)動器、或兩組驅(qū)動器分別有利地依序運作。所述二象限截波器接著即有利地使施加至驅(qū)動器組的電壓對稱，因此，所述二象限截波器僅須提供在驅(qū)動器組中流動之電流間的差異電流，且僅需補償兩組驅(qū)動器之間的功率差異。結(jié)果，相較于傳統(tǒng)的二象限截波器，根據(jù)本發(fā)明之二象限截波器的功率額定可有利地被切割為一半。有利地，根據(jù)本發(fā)明之二象限截波器的效率因而被大幅提升。改變調(diào)制指針可有利地產(chǎn)生電壓變化，其行為與在一實際電阻處與電流相關(guān)之電壓降相同。因此，通過改變調(diào)制指標(biāo)可插置一虛擬電阻，所述虛擬電阻有利地產(chǎn)生形成于所述二象限截波器中之震蕩電路的一阻尼，而不伴隨發(fā)生在實際電阻處的功率損失。第一晶體管及/或第二晶體管較佳為雙極性晶體管，其具有一絕緣的閘極電極(IGBT)。有利的是，這類晶體管適合用于充分切換大電壓與功率。在二象限截波器的一特定較佳具體實施例中，所述二象限截波器包含一輔助繞阻，其與電感器一起形成一變壓器。有利的是，利用此變壓器，以非常良好的效率與僅極少的額外復(fù)雜度即可自電壓連結(jié)將功率去耦合。在本文中，有利地自所述二象限截波器的兩個電容器中包含較高電壓的電容器擷取功率。利用此一內(nèi)含平衡的方式，進(jìn)一步有利地增加二象限截波器的效率。在一特定較佳具體實施例中，所述二象限截波器另外包含一整流器與另一電容器，所述另一電容器利用整流器而連接至輔助繞阻。所述另一電容器接著有利地經(jīng)由整流器、利用輔助繞阻所形成的變壓器而充電。在所述另一電容器處所建立的電壓接著可有利地用于供應(yīng)其它單元，例如用于供應(yīng)馬達(dá)制動器(24Vd。)。此一事實的一特定優(yōu)點為當(dāng)一電源失效時，儲存在一驅(qū)動器系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)數(shù)量中的能量可用于利用不中斷方式的電流供應(yīng)其它組件。所述二象限截波器用于反饋旋轉(zhuǎn)數(shù)量中儲存的能量，而輔助繞阻用于使用所述能量而以不中斷的方式供應(yīng)其它組件。在二象限截波器的另一具體實施例中，一電阻與電感器串聯(lián)而設(shè)置在二象限截波器的第三節(jié)點與第四節(jié)點之間。有利的是，電阻接著會增加在二象限截波器中所形成的震蕩電路的阻尼因子，因而增進(jìn)二象限截波器的控制特性。在一較佳具體實施例中，用于測量電流的裝置包含一分流電阻。此一分流電阻可有利地允許電感器中電流的可靠測量，且具有低損失。在所述二象限截波器的一具體實施例中，電感器具有ImH的電感。有利地，此值已被證明適合用于對具有范圍為數(shù)千瓦的功率的驅(qū)動組件進(jìn)行尋址。 在所述二象限截波器的一具體實施例中，所述第一電容器與所述第二電容器各具有500μΡ的電容值。有利地，這些電容值已被證明適用于對具有為數(shù)千瓦的功率范圍的驅(qū)動器系統(tǒng)進(jìn)行尋址?！ぴ诟鶕?jù)本發(fā)明的用于操作如上述方式配置的二象限截波器的方法中，在具有第一工作持續(xù)時間之第一時間間隔中，第一晶體管于一導(dǎo)通狀態(tài)中運作，且第二晶體管于一非導(dǎo)通狀態(tài)中運作。此外，在具有第二工作持續(xù)時間的第二時間間隔中，第一晶體管于一非導(dǎo)通狀態(tài)中運作，且第二晶體管于一導(dǎo)通狀態(tài)中運作。在本文中，第二時間間隔之后再次為第一時間間隔。第一與第二工作持續(xù)時間是，使得第一工作持續(xù)時間對第一與第二工作持續(xù)時間的總和的比例等于數(shù)值O. 5以及在電感器中流動的電流強度與定義虛擬電阻的乘積相關(guān)于輸入電壓量的比率的總和的方式?jīng)Q定。有利地，在此方法中使用完整的操作電壓，因此在原則上僅會發(fā)生切換損失。借此方式，可有利地達(dá)到良好效率。有利地，產(chǎn)生的輸出電壓的波動可受到時間間隔工作持續(xù)時間的影響。有利地，可利用此方法而在二象限截波器中插置一虛擬電阻，所述虛擬電阻可對二象器截波器中所形成的震蕩電路產(chǎn)生阻尼，而不發(fā)生功率損失。有利地，其可增進(jìn)二象限截波器的控制特性。在本發(fā)明方法之一具體實施例中，所定義的虛擬電阻的電阻值為I Ω (奧姆)。有利地，已經(jīng)證明I奧姆虛擬電阻對二象限截波器產(chǎn)生充分阻尼。根據(jù)本發(fā)明之用于電驅(qū)動器的控制電路包含了如上述類型的二象限截波器。較佳為，在此控制電路中僅發(fā)生低量損失，因此控制電路具有高效率。在控制電路的一較佳實施例中，控制電路包含一整流器，用于自電源電壓產(chǎn)生第一 DC電壓,借此,第一 DC電壓可被施加至二象限截波器而作為輸入電壓。有利地，第一 DC電壓可通過整流器而產(chǎn)生一高電壓，且所述高DC電壓接著可由二象限截波器轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€具有較低電壓值的輸出電壓。在控制電路的一具體實施例中，整流器包含Β6 二極管橋接。在控制電路的另一具體實施例中，所述整流器包含饋入轉(zhuǎn)換器。在所述控制電路的一特定較佳具體實施例中，控制電路還包括轉(zhuǎn)換器，其用于為從第二 DC電壓產(chǎn)生三相電壓，其中二象限截波器的第一輸出電壓或第二輸出電壓可被施加至轉(zhuǎn)換器作為第二 DC電壓。有利地，轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的三相電壓可接著用于供應(yīng)電驅(qū)動器。有利地，由于施加至轉(zhuǎn)換器的第二 DC電壓僅具有低電壓值，因此轉(zhuǎn)換器可借此而可被配置為緊密且不昂貴的方式。
在控制電路的一特定較佳具體實施例中，轉(zhuǎn)換器包含金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)晶體管。有利地，第二 DC電壓的相對低電壓值使得可利用允許非常高效率的MOSFET晶體管來配置所述轉(zhuǎn)換器。借此方式，在轉(zhuǎn)換器中發(fā)生的損失被最小化，其使轉(zhuǎn)換器被配置為節(jié)省空間且不昂貴的方式。在控制電路的另一具體實施例中，轉(zhuǎn)換器被整合至馬達(dá)中。有利地，以緊密方式來配置轉(zhuǎn)換器的可行性使轉(zhuǎn)換器被整合至馬達(dá)中，因而產(chǎn)生了整個控制電路的緊密設(shè)計。有利地，因為將轉(zhuǎn)換器整合到馬達(dá)中之故，纜線電容值也變成多余。


在下文中，將結(jié)合附圖來更詳細(xì)說明本發(fā)明，其中
圖I為一控制電路的示意方塊圖； 圖2為一轉(zhuǎn)換器的電路配置；以及 圖3為一二象限截波器的電路配置。
具體實施例方式圖I描繪了用于尋址電驅(qū)動器的控制電路100的示意方塊圖。所述控制電路100可例如用于尋址一馬達(dá)載具的電驅(qū)動器。然而，控制電路100也可用于自動技術(shù)領(lǐng)域中、或用于使用速度控制驅(qū)動器的其它技術(shù)領(lǐng)域中?？刂齐娐?00用于將電源電壓110供予第一馬達(dá)180與第二馬達(dá)185。除第一馬達(dá)180以外，也可提供一整組的第一驅(qū)動器。除了第二馬達(dá)185以外，也可提供一整組的第
二驅(qū)動器。第一馬達(dá)180以第一三相電壓170的方式而被供以能量。第二馬達(dá)185以第二三相電壓175的方式而被供以能量。馬達(dá)180、185的馬達(dá)速度與扭矩可由第一三相電壓170與第二三相電壓175的頻率與振幅定義為一限定范圍。電源電壓110通常也是三相電壓。然而，電源電壓110具有一定義頻率與一定義振幅。為了設(shè)置馬達(dá)180、185的馬達(dá)速度與扭矩，具有一設(shè)置頻率與振幅之電源電壓110因而必須利用可調(diào)整頻率及振幅的方式而被調(diào)制為第一三相電壓170與第二三相電壓175。在控制電路100中，包含一電壓連結(jié)的下述頻率轉(zhuǎn)換器是為此目的而作用?？刂齐娐?00包含一整流器120，其自電源電壓110產(chǎn)生第一直流電壓130。這類整流器為所述領(lǐng)域中所熟知。整流器120可為例如一B6 二極管橋接結(jié)構(gòu)、或一饋入轉(zhuǎn)換器。整流器120所產(chǎn)生的第一直流電壓130可例如具有700Vd。的電壓值。第一直流電壓130饋送至控制電路100中的二象限截波器140，所述二象限截波器140從第一直流電壓130產(chǎn)生第二直流電壓150與第三直流電壓155。所述第二直流電壓150與第三直流電壓155具有比第一直流電壓130更低的電壓。若第一直流電壓130為700Vd。，則第二直流電壓150與第三直流電壓155可各為例如350Vdc。第二直流電壓150利用控制電路100的一第一轉(zhuǎn)換器160而轉(zhuǎn)換為第一三相電壓170。第一轉(zhuǎn)換器160借此而使得第一三相電壓170的振幅與頻率被定義至所需的一特定范圍內(nèi)。第三直流電壓155利用控制電路100的一第二轉(zhuǎn)換器165而轉(zhuǎn)換為第二三相電壓175。在此本文中，第二轉(zhuǎn)換器165也可使第二三相電壓175的頻率與振幅設(shè)置為一特定范圍。通過設(shè)置三相電壓170、175的振幅與頻率，即可調(diào)整被供以三相電壓170、175的馬達(dá)180、185的馬達(dá)速率與扭矩。整流器120也可配置為三級轉(zhuǎn)換器。在此例中，其可用于例如實現(xiàn)電源反饋，以經(jīng)由轉(zhuǎn)換器160、165、二象限截波器140與三級轉(zhuǎn)換器120而將馬達(dá)180、185的能量反饋至電源功率供應(yīng)器。配置作為三級轉(zhuǎn)換器之整流器120可主動平衡電壓150、155，其導(dǎo)致控制電路100的效率平行有效提升。另一三級轉(zhuǎn)換器可連接至兩個電壓120、155，所述另一三級轉(zhuǎn)換器例如對一心軸驅(qū)動器供應(yīng)一特別高頻率、或是對一高動力伺服驅(qū)動器尋址。第一轉(zhuǎn)換器160與第二轉(zhuǎn)換器160可根據(jù)圖2而配置為二級轉(zhuǎn)換器。
圖2顯示了一示例二級轉(zhuǎn)換器200的電路配置。轉(zhuǎn)換器200包含第一電路節(jié)點201、第二電路節(jié)點202、第三電路節(jié)點203、第四電路節(jié)點204與第五電路節(jié)點205。轉(zhuǎn)換器200還包括第一半橋接210、第二半橋接220與第三半橋接230。第一半橋接210包含第一晶體管211、第一二極管212、第二晶體管213與第二二極管214。第一晶體管211的集極連接至第一節(jié)點201。第一晶體管211的射極連接至第三節(jié)點203。第一二極管212的陰極連接至第一節(jié)點201。第一二極管212的陽極連接至第三節(jié)點203。第二晶體管213的集極連接至第三節(jié)點203。第二晶體管213的射極連接至第二節(jié)點202。第二二極管214的陰極連接至第三節(jié)點203。第二二極管214的陽極連接至第二節(jié)點202。第二半橋接220包含第三晶體管221、第三二極管222、第四晶體管223與第四二極管224。第三晶體管221的集極連接至第一節(jié)點201。第三晶體管221的射極連接至第四節(jié)點204。第三二極管222之陰極連接至第一節(jié)點221。第三二極管222之陽極連接至第四節(jié)點204。第四晶體管223的集極連接至第四節(jié)點204。第四晶體管223的射極連接至第二節(jié)點202。第四二極管224的集極連接至第四節(jié)點204。第四二極管224的陽極連接至第四節(jié)點202。第三半橋接230包含第五晶體管231、第五二極管232、第六晶體管233與第六二極管234。第五晶體管231的集極連接至第一節(jié)點201。第五晶體管231的射極連接至第五節(jié)點205。第五二極管232的陰極連接至第一節(jié)點201。第五二極管232的陽極連接至第五節(jié)點205。第六晶體管233的集極連接至第五節(jié)點205。第六晶體管233的射極連接至第二節(jié)點202。第六二極管234的陰極連接至第五節(jié)點204。第六二極管234的陽極連接至第二節(jié)點202。轉(zhuǎn)換器200還包括電容器240，其配置在第一節(jié)點201與第二節(jié)點202之間。對第一節(jié)點201與第二節(jié)點202之間的電容器240并聯(lián)施加一輸入電壓250。輸入電壓250是一直流電壓，其正端子施加至第一節(jié)點201，而其負(fù)端子施加至第二節(jié)點202。在圖I的控制電路100的第一轉(zhuǎn)換器160中，例如第二直流電壓150是作為一輸入電壓250。在控制電路100的第二轉(zhuǎn)換器165中，第三直流電壓155是作為一輸入電壓250。在轉(zhuǎn)換器200的第三節(jié)點203處，擷取三相輸出電壓260中的第一相。在轉(zhuǎn)換器200的第四節(jié)點204處，擷取三相輸出電壓260中的第二相。在轉(zhuǎn)換器200的第五節(jié)點205處，擷取三相輸出電壓260中的第三相。三相輸出電壓260是三相旋轉(zhuǎn)電壓。在轉(zhuǎn)換器200的運作期間，轉(zhuǎn)換器200的晶體管211、213、221、223、231、233是利用根據(jù)先前技藝中慣常的正弦調(diào)制或空間向量調(diào)制原理的脈沖寬度調(diào)制而尋址，以自輸入電壓250中產(chǎn)生具可定義振幅與頻率的輸出電壓260。在先前技藝中，晶體管211、213、221、223、231、233形成為雙極性晶體管，其包含一絕緣的閘極電極(IGBT晶體管)。然而，在此本文中，晶體管211、213、221、223、231、233并未以理想方式運作。當(dāng)晶體管211、213、221、223、231、233切換為開啟時，即會發(fā)生導(dǎo)通損失。此外，當(dāng)晶體管211、213、221、223、231、233切換為開啟與關(guān)閉時，會發(fā)生切換損失。若晶體管211、213、221、223、231、233是以高切換頻率加以切換時，其結(jié)果是轉(zhuǎn)換器200的響應(yīng)時間短、且轉(zhuǎn)換器200的輸出電壓260所驅(qū)動的電流具低電流波動因子。若以低切換頻率來切換晶體管211、213、221、223、231、233，則可因而降低切換損失并可改善增進(jìn)轉(zhuǎn)換器200的效率。當(dāng)以轉(zhuǎn)換器200所產(chǎn)生的輸出電壓260來驅(qū)動具有達(dá)約2kW的低功率的驅(qū)動器時，亦即，若在圖I的示例控制電路100中，馬達(dá)180、185僅具有約2kW之功率輸入時， MOSFET晶體管可用于晶體管211、213、221、223、231、233，而取代具有絕緣的閘極電極的雙極性晶體管(IGBT晶體管)。然而，由于具有一快速本體二極管的適當(dāng)MOSFETs僅可用于約600V的阻絕電壓，以MOSFETs配置的轉(zhuǎn)換器200的輸入電壓250必須不超過約400Vd。的數(shù)值。有利地，可能使用以圖I的控制電路100的方式配置的轉(zhuǎn)換器200，因為整流器120所產(chǎn)生、具有高電壓值的第一直流電壓130被二象限截波器140分為第二直流電壓150與第三直流電壓155，其電壓值夠小而足以利用MOSFET晶體管來配置轉(zhuǎn)換器160、165。以MOSFET晶體管所配置的轉(zhuǎn)換器200的效率可大于99%。由于低損失之故，能將轉(zhuǎn)換器200整合至馬達(dá)中即成為一項特別有價值的選項。由于MOSFETs用于第一晶體管211、第二晶體管213、第三晶體管221、第四晶體管223、第五晶體管231與第六晶體管233，因此每個IGBT的晶體管僅會發(fā)生電壓值I至2伏特中的一部分(Rdson * I)。由于MOSFETs的切換損失較低之故，因此與包含IGBTs的轉(zhuǎn)換器相比，轉(zhuǎn)換器200的損失可降至低于包含IGBTs的轉(zhuǎn)換器的一半。圖3描繪了二象限截波器300的一電路配置。圖3的二象限截波器300可用于作為圖I的控制電路100中的二象限截波器140。二象限截波器300包含第一電壓節(jié)點301、第二電壓節(jié)點302、第三電壓節(jié)點303與第四電壓節(jié)點304。一輸入電壓400可施加于二象限截波器300的第一節(jié)點301與第二節(jié)點302之間。輸入電壓400為一直流電壓，其具有高電壓值為例如700Vd。。在圖I的控制電路100中，二象限截波器140被饋送例如第一直流電壓130而作為一輸入電壓400。在二象限截波器300的第一節(jié)點301與第三節(jié)點303之間擷取第一輸出電壓410。第一輸出電壓410是直流電壓，其電壓值低于輸入電壓400的電壓值。若輸入電壓400為例如700Vd。,第一輸出電壓410可為例如350Vd。。第二輸出電壓420可被擷取于二象限截波器300的第三節(jié)點303與第二節(jié)點302之間。第二輸出電壓420也是直流電壓，其電壓值小于輸入電壓400的電壓值。若輸入電壓400為700Vd。，第二輸出電壓420也是例如350Vdc。在圖I的控制電路100中，第二直流電壓150被輸出作為第一輸出電壓410，而第三直流電壓155被輸出作為第二輸出電壓420。圖3的二象限截波器300包含第一電容器310，其被配置在第一節(jié)點301與第三節(jié)點303之間。此外，二象限截波器300包含第二電容器320，其被配置在第三節(jié)點303與第二節(jié)點302之間。在結(jié)合時，第一電容器310與第二電容器320形成了二象限截波器300的一連結(jié)電壓電容器。二象限截波器300還包括第一晶體管330與第一二極管340。第一晶體管330的集極331連接至第一節(jié)點301。第一晶體管330的射極332連接至第四節(jié)點304。第一晶體管330還包括閘極333，所述第一晶體管330借此而可切換于一導(dǎo)通狀態(tài)與一非導(dǎo)通狀態(tài)之間。第一二極管340的陰極341連接至第一節(jié)點301。第一二極管340的陽極342連接至第四節(jié)點304。第一二極管340因此而并聯(lián)連接，作為第一射極330的集極-射極路徑的一穩(wěn)流二極管(free-wheeling diode)。二象限截波器300還包括一第二晶體管350與第二二極管360。第二晶體管350的集極351連接至第四節(jié)點304。第二晶體管350的射極352連接至第二節(jié)點302。此外，第二晶體管350包含閘極353，藉由閘極353所述第二晶體管350可切換于一非導(dǎo)通狀態(tài)與一導(dǎo)通狀態(tài)之間。第二二極管360的陰極361連接至第四節(jié)點304。第二二極管360的陽極362連接至第二節(jié)點302。第二二極管360因此而并聯(lián)連接，作為第二晶體管350的集極-射極路徑的穩(wěn)流二極管(free-wheeling diode)。
·
第一晶體管330與第二晶體管350優(yōu)選為包含絕緣的閘極電極的雙極性晶體管(IGBTs)0此外，二象限截波器300包含一電感器370，其配置在二象限截波器300的第三節(jié)點303與第四節(jié)點304之間。圖3的二象限截波器300也可分別推想為一降壓轉(zhuǎn)換器(step-down converter)或一降壓轉(zhuǎn)換器(buck converter)與一升壓轉(zhuǎn)換器(step-up converter)或一升壓轉(zhuǎn)換器(boost converter)之間的組合。因此,二象限截波器300適合用于經(jīng)由輸出電壓410、420而饋送來自輸入電壓400的負(fù)載，也適用于從以產(chǎn)生器模式運作的負(fù)載反饋能量。然而，相較于傳統(tǒng)的二象限截波器而言，在圖3的二象限截波器300中，連結(jié)電壓電容器310、320同時作為輸出電容器之用，因此可下切至組件。有利地，圖3的二象限截波器300可同時對兩個驅(qū)動器或兩組驅(qū)動器(具有相同的尖峰功率總和)供予功率。在此本文中，以第一輸出電壓410供應(yīng)第一組驅(qū)動器，以第二輸出電壓420供應(yīng)第二組驅(qū)動器。在圖I的控制電路100中，第一馬達(dá)180代表第一組驅(qū)動器，第二馬達(dá)182代表第二組驅(qū)動器。二象限截波器300僅必須補償兩組驅(qū)動器之間的功率差異。因此，二象限截波器300的功率額定可降至傳統(tǒng)二象限截波器的一半。借此，相較于傳統(tǒng)的二象限截波器而言，二象限截波器300的效率被大幅提升。在最差的情況下，二象限截波器300中的損失也僅為傳統(tǒng)二象限截波器的一半高。在最佳時，當(dāng)驅(qū)動器群組為對稱地配置的情況下，在電感器370中流動的電感器電流375非常的小，因而可虛擬為無功率損失發(fā)生。在二象限截波器300的運作期間，第一晶體管330與第二晶體管350通過閘極接點333、353而于一導(dǎo)通狀態(tài)與一非導(dǎo)通狀態(tài)之間交替地切換。在任何時間點，晶體管330、350的其中之一是導(dǎo)通的，而另一晶體管330、350則為非導(dǎo)通的。第一晶體管330的工作周期(duty cycle)對周期長度(亦即第一晶體管330與第二晶體管350的工作周期總和)的比率稱為調(diào)制指標(biāo)a。若調(diào)制指標(biāo)a = 0. 5，兩個晶體管330、350例如交替地切換為開啟達(dá)相同的個別時間工作持續(xù)時間。
有利地，在二象限截波器300的例子中，并不需要控制輸出電壓410、420。取而代之，二象限截波器可首先以一致的調(diào)制指標(biāo)a = O. 5的方式運作，亦即其工作因子(dutyfactor)為50%。輸入電壓400接著自動分為兩個相等的輸出電壓410、420。然而，在此操作模式中，于二象限截波器300中形成兩個僅僅稍微阻尼衰減的LC震蕩電路。第一震蕩電路由第一電容器310與電感器370所形成，第二震蕩電路由第二電容器320與電感器370所形成。每一個震蕩電路具有一共振頻率fMS，表示如下
/ =~L·=
Im Wc，
其中L是電感器370的介電質(zhì)常數(shù)，而C是個別電容器310、320的電容值。各電感器370例如具有L = ImH的介電質(zhì)常數(shù)。第一電容器310與第二電容器320各具有例如500μΡ電容值。這產(chǎn)生了 225Hz的一共振頻率f；es。 LC震蕩電路的阻尼衰減比率D計算如下
n it |'c
2\L
假設(shè)電感器370與傳導(dǎo)件具有一電阻R = O. I Ω (奧姆)，所產(chǎn)生的阻尼衰減比率D =
0.035。形成于二象限截波器300中的LC震蕩電路因而僅具非常輕微的阻尼衰減。這在某些條件下會導(dǎo)致二象限截波器300的控制行為不佳。為了增加二象限截波器300的震蕩電路的阻尼，可在第三節(jié)點303與第四節(jié)點304之間插置一個與電感器370串聯(lián)連接、約為I奧姆之電阻。然而，在此一電阻處會發(fā)生功率散失，以此方式二象限截波器300的效率會降低。然而，也可在二象限截波器300中、第三節(jié)點303與第四節(jié)點304之間有利地插置一個與電感器370串聯(lián)連接的虛擬電阻390來取代真實電阻。為此目的，調(diào)制指標(biāo)a必須受電流相關(guān)方式的影響，使得所產(chǎn)生的電壓變化呈現(xiàn)出與在虛擬電阻390處的一電流相關(guān)電壓降的相同行為。 為此目的，所述二象限截波器300包含用于測量電感器370中流動的電感器電流
375的電流強度的裝置，所述裝置并未描繪于圖3中。此裝置可例如存在于分流電阻中。調(diào)
制指標(biāo)a接著用于此方式中，其等于數(shù)值O. 5與在電感器370中流動的電流375的強度(I)
與虛擬電阻390 (R)的乘積對輸入電壓400的量(U)的比率的總和
h " Μ>· a = _5 +-.
U
針對此目的，虛擬電阻390的數(shù)值可再次設(shè)置為I奧姆，因此，所計算的調(diào)制指標(biāo)a指出第一晶體管330切換至一導(dǎo)通狀態(tài)的工作持續(xù)時間對于第一晶體管330和第二晶體管350切換至一導(dǎo)通狀態(tài)的工作持續(xù)時間總和的比率。二象限截波器300具有比傳統(tǒng)二象限截波器更大幅降低的功率散失。若例如兩個各具有IkW的功率的驅(qū)動器被供以350V的直流電壓(其產(chǎn)生自700V的直流電壓)，傳統(tǒng)的二象限截波器必須為5· 7A的電流(2000W/350V = 5. 7A)而配置。在效率為96%的傳統(tǒng)二象限截波器中，其在完全負(fù)載范圍下的功率散失高達(dá)80W。然而，若兩個驅(qū)動器與圖3的二象限截波器300串聯(lián)連接，亦即，若第一驅(qū)動器是被饋以第一輸出電壓410，而第二驅(qū)動器是被饋以第二輸出電壓420，二象限截波器300所必須進(jìn)行的僅在于提供一差動電流。若兩個驅(qū)動器各需要IkW的完全負(fù)載，在二象限截波器300中的電流便等于O。在最差的情況下，即其中一個驅(qū)動器需要lkW，而另一驅(qū)動器未輸入任何功率，則在二象限截波器300中流動的電流為1000W/350V = 2. 85A。在一正常情況下，第一驅(qū)動器輸入例如800W，而第二驅(qū)動器輸入600W，則二象限截波器300僅需提供補償?shù)?00W，其對應(yīng)至O. 6A的電流。在此操作模式中，相較于傳統(tǒng)二象限截波器的56W(4%* (800W+600W) )，二象限截波器300的功率散失降低至僅為8W (4%* (800W-600W))。通過以虛擬電阻390的方式來控制二象限截波器300，可無困難地將復(fù)數(shù)個電流供應(yīng)器并聯(lián)連接，以增加功率。二象限截波器300的電壓連結(jié)也可通過與第一電容器310及/或第二電容器320并聯(lián)配置的額外電容器而加大。在此例中，二象限截波器300的阻尼會增加，因而使二象限截波器300因系統(tǒng)性因素而更為穩(wěn)定。在二象限截波器300的一較佳具體實施例中，其包含一輔助繞阻385，所述輔助繞·阻385與電感器370 —起形成一變壓器380。輔助繞阻385配置在二象限截波器300的第五節(jié)點381與第六節(jié)點382之間。有利地,可利用輔助繞阻385產(chǎn)生一賈凡尼隔離電壓(galvanically isolatedvoltage)。為此目的，從施加較高電壓的電容器310、320擷取能量。此程序?qū)е乱粌?nèi)含平衡，其進(jìn)一步增進(jìn)了二象限截波器300的效率。在第五節(jié)點381與第六節(jié)點382之間，可設(shè)置例如一整流器，藉其對二象限截波器300的另一電容器進(jìn)行充電。圖3中并未說明整流器與另一電容器。在所述另一電容器處建立的電壓可例如用于供應(yīng)一馬達(dá)制動器(24Vd。)。所述輔助電壓是以一非常高的效率回復(fù)。輔助繞阻385也可作為不中斷的電流供應(yīng)之用。當(dāng)電源失效時，使用驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)量中所存儲的能量來供應(yīng)關(guān)鍵組件是一種一般性程序。在此情形中，驅(qū)動器于產(chǎn)生器模式中運作，且來自驅(qū)動器的能量是利用二象限截波器300而反饋。借此，電感器370與輔助繞阻385所形成的變壓器380可繼續(xù)對第五節(jié)點381及對第六節(jié)點382散失功率，且因而可在電源失效(亦即在輸入電壓400驟降下)時以不中斷方式提供功率。這是以高效率方式進(jìn)行，且僅需要極少的額外電路。總體言之，本發(fā)明提供一種改良的二象限截波器300，借此兩個驅(qū)動器或兩組驅(qū)動器可以高效率串聯(lián)運作。所述二象限截波器300可用于一控制電路100中。此提供可通過MOSFET晶體管來配置控制電路中提供的轉(zhuǎn)換器、而增進(jìn)其效率的優(yōu)點。二象限截波器的另一優(yōu)點為，可利用選擇性輔助繞阻而從電壓連結(jié)回復(fù)一額外供應(yīng)電壓，其所涉時間與費力極少，且有特別高的效率。
權(quán)利要求
1.一種二象限截波器(300、140)，包含第一節(jié)點(301)、第二節(jié)點(302)、第三節(jié)點(303)與第四節(jié)點(304)， 其中在所述第一節(jié)點(301)與所述第二節(jié)點(302)之間施加輸入電壓(400、130)， 其中于所述第一節(jié)點(301)與所述第三節(jié)點(303)之間擷取第一輸出電壓(410、150)， 其中于所述第三節(jié)點(303)與所述第二節(jié)點(302)之間擷取第二輸出電壓(420、155)， 第一電容器(310)設(shè)置在所述第一節(jié)點(301)與所述第三節(jié)點(303)之間， 第二電容器(320)設(shè)置在所述第三節(jié)點(303)與所述第二節(jié)點(302)之間， 第一晶體管(330)的集極(331)連接至所述第一節(jié)點(301)，且所述第一晶體管(330)的射極(332)連接至所述第四節(jié)點(304)， 第一二極管(340)的陰極(341)連接至所述第一節(jié)點(301)，且所述第一二極管(340)之陽極(342 )連接至所述第四節(jié)點(304 )， 第二晶體管(350)的集極(351)連接至所述第四節(jié)點(304)，且所述第二晶體管(350)的射極(352)連接至所述第二節(jié)點(302)， 第二二極管(360)的陰極(361)連接至所述第四節(jié)點(304)，且所述第二二極管(360)之陽極(362)連接至所述第二節(jié)點(302)， 電感器(370)設(shè)置在所述第三節(jié)點(303)與所述第四節(jié)點(304)之間， 所述二象限截波器(300、140)還包括用于測量在所述電感器(370)中流動的電流(375)的裝置， 所述二象限截波器(300、140)還包括單元，配置用于使所述第一晶體管(330)與所述第二晶體管(350)根據(jù)調(diào)制指標(biāo)而在導(dǎo)通狀態(tài)與非導(dǎo)通狀態(tài)之間互相切換， 其中所述調(diào)制指標(biāo)是數(shù)值O. 5以及在所述電感器(370)中流動的電流強度(375)與定義虛擬電阻(390)的乘積相關(guān)于所述輸入電壓(400、130)量的比率的總和。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二象限截波器(300、140)，所述第一晶體管(330)及/或所述第二晶體管(350 )是雙極性晶體管，包含絕緣的閘極電極。
3.如前述權(quán)利要求中任一項所述的二象限截波器(300、140)，所述二象限截波器(300、140)包含輔助繞阻(385)，其與所述電感器(370) —起形成變壓器(380)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二象限截波器(300、140)，所述二象限截波器(300、140)包含整流器與另一電容器，所述另一電容器經(jīng)由所述整流器而連接至所述輔助繞阻(385)。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的二象限截波器(300、140)，一電阻配置在所述第三節(jié)點(303)與所述第四節(jié)點(304)之間而與所述電感器(370)串聯(lián)連接。
6.一種用于操作二象限截波器(300、140)的方法，所述二象限截波器(300、140)是根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項而配置， 其中在具有第一工作持續(xù)時間的第一時間間隔中，所述第一晶體管(330)于導(dǎo)通狀態(tài)中運作，且所述第二晶體管(350)于非導(dǎo)通狀態(tài)中運作， 其中在具有第二工作持續(xù)時間的第二時間間隔中，所述第一晶體管(330)于非導(dǎo)通狀態(tài)中運作，且所述第二晶體管(350)于導(dǎo)通狀態(tài)中運作， 其中第一時間間隔緊接在所述第二時間間隔之后， 其中所述第一與所述第二工作持續(xù)時間經(jīng)選擇，使得所述第一工作持續(xù)時間對所述第一與所述第二工作持續(xù)時間的總和的比例等于數(shù)值O. 5以及在所述電感器(370)中流動的電流強度(375)與定義虛擬電阻(390)的乘積相關(guān)于所述輸入電壓(400、130)量的比率的總和。
7.一種用于電驅(qū)動器(180、185)的控制電路(100)，包含根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的二象限截波器(300、140 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制電路(100)， 所述控制電路(100)包含整流器(120)，其配置用于自電源電壓(110)產(chǎn)生第一 DC電壓(130、400)， 其中所述第一 DC電壓(130、400)被施加至所述二象限截波器(300、140)作為輸入電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8中任一項所述的控制電路(100)，所述控制電路(100)包含轉(zhuǎn)換器(160、165、200)，配置用于從第二 DC電壓(150、155、250)產(chǎn)生三相電壓(170、175)，其中所述二象限截波器(300、140)的所述第一輸出電壓(150,410)或所述第二輸出電壓(155、420)被施加至所述轉(zhuǎn)換器(160、165、200)作為第二 DC電壓(150、155、250)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制電路(100)，所述轉(zhuǎn)換器(160、165、200)包含金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(211、213、221、223、231、233)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10中任一項所述的控制電路(100)，所述轉(zhuǎn)換器(160、165、200)整合在馬達(dá)(180、185)中。
全文摘要
一種二象限截波器(300、140)包含第一節(jié)點(301)、第二節(jié)點(302)、第三節(jié)點(303)與第四節(jié)點(304)。在所述第一節(jié)點(301)與所述第二節(jié)點(302)之間施加輸入電壓(400)。在所述第一節(jié)點(301)與所述第三節(jié)點(303)之間擷取第一輸出電壓(410)。在所述第三節(jié)點(303)與所述第二節(jié)點(302)之間擷取第二輸出電壓(420、155)。第一電容器(310)設(shè)置在所述第一節(jié)點(301)與所述第三節(jié)點(302)之間。第二電容器(320)設(shè)置在所述第三節(jié)點(303)與所述第二節(jié)點(302)之間。第一晶體管(330)的集極(331)連接至所述第一節(jié)點(301)，且所述第一晶體管(330)的射極(332)連接至所述第四節(jié)點(304)。第一二極管(340)的陰極(341)連接至所述第一節(jié)點(301)，且所述第一二極管(340)的之陽極(342)連接至所述第四節(jié)點(304)。第二晶體管(350)的集極(351)連接至所述第四節(jié)點(304)，且所述第二晶體管(350)的射極(352)連接至所述第二節(jié)點(302)。第二二極管(360)的陰極(361)連接至所述第四節(jié)點(304)，且所述第二二極管(360)的之陽極(362)連接至所述第二節(jié)點(302)。電感器(370)設(shè)置在所述第三節(jié)點(303)與所述第四節(jié)點(304)之間。所述二象限截波器(300、140)還包括用于測量在所述電感器(370)中流動的電流(375)的裝置，以及一單元，配置用于使所述第一晶體管(330)與所述第二晶體管(350)根據(jù)調(diào)制指標(biāo)而在導(dǎo)通狀態(tài)與非導(dǎo)通狀態(tài)之間互相切換。所述調(diào)制指標(biāo)是數(shù)值0.5以及在所述電感器(370)中流動的電流強度(375)與定義虛擬電阻(390)的乘積相關(guān)于所述輸入電壓(400、130)量的比率的總和。
文檔編號H02M3/10GK102969890SQ20121016553
公開日2013年3月13日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
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