專利名稱：一種交流斬波器及其斬波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流變換器，特別涉及利用開關(guān)模式實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的交 流斬波器及其斬波方法。
背景技術(shù)：
相控整流技術(shù)作為一個比較成熟的交流調(diào)壓技術(shù)，已在許多場合取 代電磁類調(diào)壓技術(shù)，獲得廣泛應(yīng)用。但是相控整流技術(shù)具有許多不可克 服的缺陷，如受觸發(fā)角影響的低功率因數(shù)、慢的動態(tài)響應(yīng)速度、輸出低 次諧波豐富以及嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波電流污染等。近年來基于直流斬波器簡 單拓?fù)涞慕涣鲾夭ㄆ鞒蔀榱艘粋€新的研究熱點(diǎn)。交流斬波控制調(diào)壓技術(shù) 具有僅取決于負(fù)載的功率因數(shù)、快的動態(tài)響應(yīng)速度、寬的線性調(diào)壓范圍 以及輸入輸出易于濾波及高度正弦化等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于大功率、快速調(diào) 壓等領(lǐng)域。
圖l是一種現(xiàn)有的斬波器的電路示意圖，Sl、 S2是一個全控開關(guān)器 件，可以在任意時間打開和關(guān)斷。電感Lc是儲能器件，M為負(fù)載。當(dāng)該 斬波電路應(yīng)用于DC/DC變換時，輸入電壓與輸出電流極性均不發(fā)生變 化。電路工作時，首先S1開關(guān)斷合，同時S2開關(guān)關(guān)斷，輸入電源通過開 關(guān)S1向"充電，iL按指數(shù)曲線增大。然后S1開關(guān)關(guān)斷，同時S2開關(guān)斷合， 電感L。中的電流通過開關(guān)S2續(xù)流，^呈指數(shù)曲線下降。儲能電感Lo越大， 電流iL的波動越小。在DC/DC變換中，為了簡化電路，如圖2所示，開關(guān)S2也可以是一個二極管D，二極管的陰極接到開關(guān)S1與儲能電感"之間， 二極管的陽極接輸入電壓的陰極。這樣，開關(guān)Sl在關(guān)斷對Lo充電時，二 極管反向偏置，沒有電流流過二極管。Sl關(guān)斷時，二極管正向偏置，L0 中的電流通過二極管續(xù)流。直流斬波電路在工作時關(guān)鍵波形如圖3所示。 直流斬波器工作在輸入電壓和輸出電流的一個象限中。將斬波器應(yīng) 用于AC/AC變換時，需要工作在輸入電壓與輸出電流的四個象限中:使 用的開關(guān)必須是雙向的，這就需要更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)控制方法。 在交流斬波器的研究上已經(jīng)做了大量工作，并產(chǎn)生了很多交流斬波控制 拓?fù)?。圖4所示的電路拓?fù)渚褪且环N比較受歡迎的交流斬波器拓?fù)?。?流斬波器的調(diào)壓對象是交流電壓，為了能在電壓的正負(fù)半波都進(jìn)行調(diào) 制，開關(guān)必須是雙向的。圖4中，Sl、 S2、 S3、 S4為單向開關(guān)，它們采 用IGBT和二極管組成，二極管并聯(lián)于IGBT的集電極和發(fā)射極之間，二極 管的陰極與IGBT的集電極連接，我們稱這一端為開關(guān)的陰極；二極管的 陽極與IGBT的發(fā)射極連接，我們稱這一端為開關(guān)的陽極。那么，開關(guān)就 可以控制從陰極到陽極方向的電流導(dǎo)通和關(guān)斷，而開關(guān)從陽極到陰極方 向由于并聯(lián)了二極管，電流在這個方向始終導(dǎo)通，所以稱它們?yōu)閱蜗蜷_ 關(guān)。圖4中，S1與S4組成一對雙向開關(guān)T1， S2與S3組成一對雙向開關(guān)T2。 其中開關(guān)S1的陽極與向開關(guān)S2的陰極相連；開關(guān)S4的陽極與開關(guān)S3的陰 極相連；開關(guān)S1和開關(guān)S4的陰極接輸入電壓源，電感的一端接向開關(guān)S1 的陽極，電感的另一端和開關(guān)S4的陽極為斬波器輸出端。當(dāng)S1與S4導(dǎo)通， S2、 S3關(guān)斷時，輸入電源對電感充電，電路簡化圖如圖5a所示。當(dāng)S2、 S3導(dǎo)通，S1與S4關(guān)斷時，電感續(xù)流放電，電路簡化圖如圖5b所示。當(dāng)我 們采用某種開關(guān)控制策略，使電路中的電感周期性地在電感充電狀態(tài)與 續(xù)流狀態(tài)之間切換時，就實(shí)現(xiàn)了對輸入電壓的斬波調(diào)壓。圖4中的開關(guān)在實(shí)際中可以通過晶體管器件和二極管組合得到， 一個二極管并聯(lián)在晶 體管的源極和漏極之間，二極管的極性方向與晶體管的相反。在這里我
們使用IGBT作為開關(guān)進(jìn)行說明，但也可以使用其他種類的晶體管作為開關(guān)。
斬波器中的電感在從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到續(xù)流狀態(tài)時，需要在關(guān)斷T1 的同時，打開T2。但是，由于功率晶體管中存儲了大量電荷，當(dāng)一個控 制電壓使一個晶體管截止同時使另一個晶體管導(dǎo)通時，被實(shí)施截止的晶 體管中的電流會再持續(xù)一段時間，這樣就會發(fā)生晶體管同時導(dǎo)通而使電 路短路的情形，會造成開關(guān)損壞。為了防止這種情況的發(fā)生，在從圖5a 狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到圖5b狀態(tài)時，需要插入一小段時間使T1、 T2都關(guān)斷，這段 時間被稱為"死區(qū)時間"。然而，Tl、 T2同時關(guān)斷也是一個問題'。電感 L0中的續(xù)流受阻，會產(chǎn)生可能使開關(guān)損壞的尖峰電壓， 一般通過緩沖器 或箝位網(wǎng)絡(luò)將尖峰電壓箝位，由此而帶來的是過度的箝位功率損耗，這 種損耗隨著開關(guān)頻率的增高成線性增長，并隨著電壓和電流的增大成指 數(shù)型增長。因此，這種方法只適用于中、小功率阻性負(fù)載交流調(diào)壓領(lǐng)域。
在專利公開號為CN1967994A的專利中討論了一種類似的交流斬波 器拓?fù)?，這種方法可以避免插入死區(qū)時間，但電路中使用了較多的功率 器件，增大了系統(tǒng)的損耗。
另外，在"Novel topologies of AC chopper" —文中介紹了一種類似 的交流斬波器拓?fù)?。該方法可以很好的解決在死區(qū)時間電感續(xù)流的問 題，電路中無需加入緩沖器或電壓箝位電路。結(jié)合圖4我們對該方法進(jìn) 行說明。在該方法中，根據(jù)輸入電源電壓的極性，采取以下開關(guān)策略 在輸入電源電壓正半周期，開關(guān)S3、 S4—直導(dǎo)通，開關(guān)S1、 S2由某一固 定占空比的PWM信號調(diào)制導(dǎo)通，其中當(dāng)一個開關(guān)打開時，另一個則關(guān)斷；在輸入電源電壓的負(fù)半周期，開關(guān)模式與之相反。在這種開關(guān)控制 方法中，電流回路是始終存在的。因此不需要加緩沖器或電壓箝位電路， 在輸入電源電壓正半周期內(nèi)，電路有三種工作模式有源模式、死區(qū)時 間模式、續(xù)流模式。關(guān)于這幾種工作模式的具體介紹，請參考原文。
專利公開號為CN1410855A的專利使用與上述方法類似的基于輸入 電壓極性檢測的斬波器開關(guān)控制策略。
然而，這種基于輸入電源電壓極性檢測的開關(guān)策略也存在著一些不 足之處。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是應(yīng)用在快速調(diào)壓領(lǐng)域時，輸入電壓的波 形會受到電壓閃變和諧波的影響而產(chǎn)生較大畸變，如圖6所示。此外， 為了避免諧波對電壓檢測器的干擾，在檢測電壓前需要對被測電壓進(jìn)行 濾波，這樣電壓極性檢測器的輸出就會產(chǎn)生一個濾波延時，同時電壓極 性檢測器本身也是有延時的，因此電壓極性檢測器的輸出就會產(chǎn)生一個 不可避免的延時，如圖6中的t所示。延時t會導(dǎo)致電壓極性的檢測錯誤。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，電壓過零點(diǎn)的檢測不是一件很容易的事情，很容 易產(chǎn)生電壓極性檢測錯誤。在電壓極性檢測錯誤時，輸入電壓就會形成 短路，如圖7所示。而且，在上述的基于輸入電壓極性檢測的交流斬波 器拓?fù)渲?，在任何時候開關(guān)的狀態(tài)都與輸入電壓的極性相關(guān)，需要持續(xù) 地將輸入電壓極性反饋到電路的非線性塊中，電壓在過零點(diǎn)的波動很容 易引起系統(tǒng)的振蕩。圖8顯示了這種開關(guān)策略的反饋控制方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于非連續(xù)的電流檢測的交流斬波器 及其斬波方法，由于在任何時刻沒有輸入電壓短路存在，且開關(guān)的工作 模式與輸入電源電壓無關(guān)，因此適用于對輸入電源的質(zhì)量沒有較高要求的場合。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了以下技術(shù)方案 首先是一種交流斬波器
1、 一種交流斬波器，連接于交流電源和負(fù)載之間，包括
開關(guān)組，包括多個開關(guān)，與所述交流電源連接；
電感，其一端與所述開關(guān)組連接，另一端與所述負(fù)載連接；
電流極性檢測器，連接于所述電感和所述負(fù)載之間，用于在
所述開關(guān)切換狀態(tài)的時刻檢測所述斬波器輸出給所述負(fù)載的電流的方
向，即電感電流方向；
開關(guān)控制邏輯單元，接收所述電流極性檢測器發(fā)來的電流方
向信號，并根據(jù)所述電流方向信號向所述開關(guān)組的多個開關(guān)發(fā)出不同的
控制時序信號，以控制所述多個開關(guān)的導(dǎo)通順序，使得所述電感在續(xù)流
狀態(tài)與充電狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。
2、 其中開關(guān)組包括雙向開關(guān)T1和雙向開關(guān)T2，所述交流電源、所 述雙向開關(guān)T1、所述電感、和所述負(fù)載構(gòu)成第一回路，所述雙向開關(guān)T1 導(dǎo)通則所述第一回路導(dǎo)通時，所述電源向所述電感充電；而所述雙向開 關(guān)T2、所述電感、和所述負(fù)載構(gòu)成第二回路，所述雙向開關(guān)T2導(dǎo)通則所 述第二回路導(dǎo)通時，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；所述第一回路和所述第二 回路至少有一個是導(dǎo)通的。
3、 其中開關(guān)組包括第一單向開關(guān)S1、第二單向開關(guān)S2、第三單向 開關(guān)S3、和第四單向開關(guān)S4;所述雙向開關(guān)T1包括第一單向開關(guān)S1和第 四單向開關(guān)S4，所述雙向開關(guān)T2包括第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān) S3;其中S1的陽極與S2的陰極相連，S2的陽極與S3的陽極的相連，S3 的陰極與S4的陽極相連；其中每一個單向開關(guān)分別包括相互并聯(lián)的晶體管器件和二極管，所述二極管并聯(lián)于所述晶體管的集電極和發(fā)射極之 間，所述二極管的陰極與所述晶體管集電極連接，這一端為所述開關(guān)的 陰極；所述二極管的陽極與所述晶體管發(fā)射極連接，這一端為開關(guān)的陽極。
4、 其中晶體管是雙極型結(jié)型晶體管、IGBT、金屬氧化物場效應(yīng)管 晶體管、磁控管、或門控?cái)嗔髌鳌?br> 5、 其中開關(guān)控制邏輯單元對所述多個開關(guān)的控制包括以下模式
當(dāng)所述電流極性檢測器檢測到所述斬波器輸出電流極性為正時，所 述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為正，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如 下
第l模式所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第2模式仍維持所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第3模式當(dāng)所述交流電源的輸入電源電壓uiX)時，只有第二回路
導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui〈0時，第一回路和第二回路都導(dǎo)通，
所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；
第4模式只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 第5模式保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀^; 當(dāng)所述電流極性檢測器檢測到所述斬波器輸出電流極性為負(fù)時，所
述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為負(fù)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如
下
第6模式所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第7模式仍維持所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第8模式當(dāng)所述交流電源的輸入電源電壓ui < 0時，只有第二回 路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui 〉 0時，所述第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；
第9模式只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 第10模式保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)。
6、其中模式進(jìn)一步包括-
當(dāng)所述電流極性檢測器檢測到所述斬波器輸出電流極性為正時，所 述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為正，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如
下
第l模式開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，所述第二回路導(dǎo)通，所 述電感處于續(xù)流狀態(tài)；
第2模式Sl、 S4、 S3關(guān)斷，S2導(dǎo)通，仍維持所述第二回路導(dǎo)通， 所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；
第3模式Sl、 S3關(guān)斷，S2、 S4導(dǎo)通，當(dāng)所述交流電源的輸入電源 電壓uiX)時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui〈0時， 第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；
第4模式Sl、 S2、 S3關(guān)斷，S4導(dǎo)通，只有所述第一回路導(dǎo)通，所 述電感處于充電狀態(tài)；
第5模式S2、 S3關(guān)斷，Sl、 S4導(dǎo)通，保持只有所述第一回路導(dǎo)通， 所述電感處于充電狀態(tài)；
當(dāng)所述電流極性檢測器檢測到所述斬波器輸出電流極性為負(fù)時，所 述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為負(fù)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如 下
第6模式開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，所述第二回路導(dǎo)通，所 述電感處于續(xù)流狀態(tài)；
第7模式Sl、 S4、 S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通，仍維持所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；
第8模式S2、 S4關(guān)斷，Sl、 S3導(dǎo)通，當(dāng)所述交流電源的輸入電源 電壓ui < 0時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui 〉 0 時，所述第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀 態(tài)；
第9模式S2、 S3 、 S4關(guān)斷，Sl導(dǎo)通，只有所述第一回路導(dǎo)通， 所述電感處于充電狀態(tài)；
第10模式S2、 S3關(guān)斷，Sl、 S4導(dǎo)通，保持只有所述第一回路導(dǎo) 通，所述電感處于充電狀態(tài)。
7、 其中開關(guān)控制邏輯單元通過脈寬調(diào)制信號控制所述開關(guān)。
8、 其中所述開關(guān)組包括兩個IGBT半橋模i央，第一IGBT半橋模塊包 括開關(guān)S1和開關(guān)S2，第二IGBT半橋包括開關(guān)S3和開關(guān)S4;
每個IGBT半橋模塊分別連接一個雙IGBT驅(qū)動板，每個所述雙IGBT 驅(qū)動板接收一對互補(bǔ)的所述脈寬調(diào)制信號并向相應(yīng)IGBT半橋模塊中兩 個開關(guān)分別發(fā)出包括導(dǎo)通或關(guān)斷在內(nèi)的驅(qū)動信號，其中每個導(dǎo)通或關(guān)斷 信號之間設(shè)置有一個死區(qū)時間；
所述兩個IGBT半橋模塊的所述脈寬調(diào)制信號之間存在一段延時時 間tl， tl大于所述死區(qū)時間。
9、 其中tl為所述死區(qū)時間的兩倍。
10、 交流斬波器還包括兩個過載保護(hù)電路，用于保護(hù)所述多個開關(guān) 不受尖峰電壓的破壞；其中一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第一單向開關(guān)S1的 陰極和第二單向開關(guān)S2的陽極之間；另一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第四單 向開關(guān)S4的陰極和第三單向開關(guān)S3的陽極之間；每個過載保護(hù)電路包括 一個二極管和有源電壓箝位電路。其次，本發(fā)明還提出了一種交流斬波方法
11、 一種交流斬波方法，適用于上述交流斬波器，包括以下步驟-
所述電流極性檢測器在所述開關(guān)切換狀態(tài)的時刻檢測所述 斬波器輸出給所述負(fù)載的電流的方向，即電感電流方向；
所述開關(guān)控制邏輯單元接收所述電流方向信號，并根據(jù)所述 電流方向信號向所述開關(guān)組的多個開關(guān)發(fā)出不同的控制時序信號；
所述多個開關(guān)根據(jù)所述控制時序信號而導(dǎo)通或關(guān)斷，使得所 述電感在續(xù)流狀態(tài)與充電狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。
12、 其中所述第一回路導(dǎo)通時，所述電源向所述電感充電；而所述 第二回路導(dǎo)通時，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；所述第一回路和所述第二回 路至少有一個是導(dǎo)通的。 _
13、 其中所述開關(guān)控制邏輯單元對所述多個開關(guān)的控制包括以下模
式
當(dāng)所述電流極性檢測方法檢測到所述斬波方法輸出電流極性為正 時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為正，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換 順序如下
第l模式所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第2模式仍維持所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第3模式當(dāng)所述交流電源的輸入電源電壓uiX)時，只有第二回路
導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui〈0時，第一回路和第二回路都導(dǎo)通，
所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；
第4模式只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 第5模式保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)；當(dāng)所述電流極性檢測方法檢測到所述斬波方法輸出電流極性為負(fù) 時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為負(fù)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換 順序如下
第6模式所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第7模式仍維持所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第8模式當(dāng)所述交流電源的輸入電源電壓ui < 0時，只有第二回
路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui > 0時，所述第一回路和第二回
路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；
第9模式只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 第10模式保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)。 14、其中模式進(jìn)一步包括
當(dāng)所述電流極性檢測方法檢測到所述斬波方法輸出電流極性為正 時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為正，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換 順序如下
第l模式開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，所述第二回路導(dǎo)通，所 述電感處于續(xù)流狀態(tài)；
第2模式Sl、 S4、 S3關(guān)斷，S2導(dǎo)通，仍維持所述第二回路導(dǎo)通， 所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；
第3模式Sl、 S3關(guān)斷，S2、 S4導(dǎo)通，當(dāng)所述交流電源的輸入電源 電壓uiX)時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui〈0時， 第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；.
第4模式Sl、 S2、 S3關(guān)斷，S4導(dǎo)通，只有所述第一回路導(dǎo)通，所 述電感處于充電狀態(tài)；
第5模式S2、 S3關(guān)斷，Sl、 S4導(dǎo)通，保持只有所述第一回路導(dǎo)通，
19所述電感處于充電狀態(tài)；
當(dāng)所述電流極性檢測方法檢測到所述斬波方法輸出電流極性為負(fù) 時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為負(fù)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換 順序如下
第6模式開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，所述第二回路導(dǎo)通，所 述電感處于續(xù)流狀態(tài)；
第7模式Sl、 S4、 S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通，仍維持所述第二回路導(dǎo)通， 所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；
第8模式S2、 S4關(guān)斷，Sl、 S3導(dǎo)通，當(dāng)所述交流電源的輸入電源 電壓ui < 0時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui 〉 0 時，所述第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀 態(tài)；
第9模式S2、 S3 、 S4關(guān)斷，Sl導(dǎo)通，只有所述第一回路導(dǎo)通， 所述電感處于充電狀態(tài)；
第10模式Sl、 S4導(dǎo)通，S2、 S3關(guān)斷，保持只有所述第一回路導(dǎo)通， 所述電感處于充電狀態(tài)。
15、 其中開關(guān)控制邏輯單元通過脈寬調(diào)制信號控制所述開關(guān)。
16、 其中交流斬波方法將所述開關(guān)組分為兩個IGBT半橋模塊，第一 IGBT半橋模塊包括開關(guān)S1和開關(guān)S2，第二IGBT半橋包括開關(guān)S3和開關(guān) S4;
每個IGBT半橋模塊分別連接一個雙IGBT驅(qū)動板，每個所述雙IGBT 驅(qū)動板接收一對互補(bǔ)的所述脈寬調(diào)制信號并向相應(yīng)IGBT半橋模塊中兩 個開關(guān)分別發(fā)出包括導(dǎo)通或關(guān)斷在內(nèi)的驅(qū)動信號，其中每個導(dǎo)通或關(guān)斷 信號之間設(shè)置有一個死區(qū)時間；所述兩個IGBT半橋模塊的所述脈寬調(diào)制信號之間存在一段延時時
間tl， tl大于所述死區(qū)時間。
17、 其中tl為所述死區(qū)時間的兩倍。
18、 本交流斬波方法，采用兩個過載保護(hù)電路保護(hù)所述多個開關(guān)不 受尖峰電壓的破壞；其中一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第一單向開關(guān)S1的陰 極和第二單向開關(guān)S2的陽極之間；另一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第四單向 開關(guān)S4的陰極和第三單向開關(guān)S3的陽極之間；每個過載保護(hù)電路包括一 個二極管和有源電壓箝位電路。
本發(fā)明的斬波器及其控制方法與現(xiàn)有的控制方法相比，有著大量的
優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明的開關(guān)控制方法是基于電流極性檢測的，而不是 基于電壓極性檢測的，因此在任何時刻沒有輸入電壓短路存在；2、只 在開關(guān)切換狀態(tài)時刻檢測電流極性，是一種非連續(xù)性的檢測方法，系統(tǒng) 不容易產(chǎn)生振蕩。3 、開關(guān)的工作模式與輸入電源無關(guān)，因此不需要對 輸入電源質(zhì)量有較高要求。4、有過載保護(hù)的能力，系統(tǒng)過載時電路可 以安全地停止工作。5、電路中使用了很少的功率器件，減小了系統(tǒng)的 損耗。


圖1是現(xiàn)有的斬波電路原理圖。 圖2是現(xiàn)有的直流斬波器簡化電路原理圖。 圖3是現(xiàn)有直流斬波器關(guān)鍵工作波形示意圖。 圖4是另一種現(xiàn)有交流斬波器的原理圖。 圖5是現(xiàn)有交流斬波器電感充電與續(xù)流狀態(tài)示意圖。圖6是現(xiàn)有斬波器實(shí)際輸入電壓波形示意圖。
圖7是一種現(xiàn)有開關(guān)控制策略在某種情況下產(chǎn)生輸入電壓短路時 的示意圖。
圖8是一種現(xiàn)有的基于輸入電壓極性的開關(guān)控制策略的系統(tǒng)控制示意圖。
圖9是本發(fā)明的交流斬波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10a 圖10e是本發(fā)明的交流斬波器在輸出電流極性為正時，開關(guān) 的工作狀態(tài)示意圖。
圖10f 圖10j是本發(fā)明的交流斬波器在輸出電流極性為負(fù)時，開關(guān)的 工作狀態(tài)示意圖。
圖lla是本發(fā)明的交流斬波器在輸出電流極性為正時，開關(guān)的控制 時序圖。
圖llb是本發(fā)明的交流斬波器在輸出電流極性為負(fù)時，開關(guān)的控制 時序圖。
圖12是本發(fā)明的交流斬波器開關(guān)控制邏輯的實(shí)施例的原理圖。
圖13是本發(fā)明的交流斬波器過載保護(hù)時電流流向示意圖。
圖14是本發(fā)明的交流斬波器的實(shí)施例中有源電壓箝位器原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖對本發(fā)明的交流斬波器及其斬波方法進(jìn)行詳細(xì)說明。 首先必須聲明的是，雖然本發(fā)明以下面的實(shí)施例進(jìn)行了說明，但是不能 以實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行限制性解釋，比如開關(guān)組的結(jié)構(gòu)，也可以采用其 他形式其他數(shù)量的開關(guān)實(shí)現(xiàn)，只要能夠達(dá)到以電流檢測信號控制開關(guān)組 關(guān)斷或?qū)ǘＷC負(fù)載供電的目的，都應(yīng)該落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
22圖9是本發(fā)明的交流斬波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，交流電源AC用于 向負(fù)載5供電。本發(fā)明的交流斬波器連接于交流電源AC和負(fù)載5之間，包 括
開關(guān)組，包括第一開關(guān)S1、第二開關(guān)S2、第三開關(guān)S3、第四開關(guān)S4， 分別為單向固態(tài)開關(guān)裝置，開關(guān)S1-S4分別由晶體管器件和二極管并聯(lián) 組合而成。其中的晶體管可以是比如BJT(雙極型結(jié)型晶體管)，IGBT ， 或MOSFE T (金屬氧化物場效應(yīng)管)晶體管，甚至是晶體閘流管如 MET(磁控管〉或GTO (門控?cái)嗔髌?。在第一開關(guān)S1和第四開關(guān)S4之間 即本交流斬波器的輸入端A、 B之間連接有交流電源AC。在一個優(yōu)選實(shí)施 例中，Sl、 S2、 S3、 S4分別采用IGBT和二極管組成，二極管并聯(lián)于IGBT 的集電極和發(fā)射極之間，二極管的陰極與IGBT的集電極連接，我們稱這 一端為開關(guān)的陰極；二極管的陽極與IGBT的發(fā)射極連接，我們稱這一端 為開關(guān)的陽極。如圖9所示，其中開關(guān)S1的陽極與向開關(guān)S2的陰極相連； 開關(guān)S4的陽極與開關(guān)S3的陰極相連；開關(guān)S1和開關(guān)S4的陰極接輸入電壓 源。那么，開關(guān)就可以控制從陰極到陽極方向的電流導(dǎo)通和關(guān)斷，而開 關(guān)從陽極到陰極方向由于并聯(lián)了二極管，電流在這個方向始終導(dǎo)通，所 以稱它們?yōu)閱蜗蜷_關(guān)。
電感器L，與開關(guān)組連接，負(fù)責(zé)接受交流電源AC的充電并向負(fù)載5 放電。電感的一端接向開關(guān)S1的陽極，電感的另一端充當(dāng)斬波器的輸出 端C，負(fù)載5與C點(diǎn)連接。電感器L可根據(jù)開關(guān)S1-S4不同的導(dǎo)通或截止?fàn)?態(tài)而工作在充電或者續(xù)流狀態(tài)(續(xù)流狀態(tài)即電源關(guān)斷向負(fù)載5放電的狀 態(tài))。電感器L的工作狀態(tài)與開關(guān)組的導(dǎo)通或截止之間的關(guān)系詳見后述。
電流極性檢測器6，連接于電感L和負(fù)載5之間，使得可從本發(fā)明的 交流斬波器輸出端C取樣，用于檢測斬波器輸出到負(fù)載5的電流的方向，需要特別說明的是，本發(fā)明的電流極性檢測器6，只在開關(guān)切換狀態(tài)時
刻檢測所述斬波器輸出給所述負(fù)載5的電流的方向，即電感L的電流方
向，是一種非連續(xù)性的檢測方法，這樣使得整個系統(tǒng)不容易產(chǎn)生振蕩。
開關(guān)控制邏輯單元7，接收電流極性檢測器6發(fā)來的電流方向信號， 然后生成不同的控制時序信號，用于控制開關(guān)裝置S1-S4的導(dǎo)通或者截 止順序，詳見后述。
過載保護(hù)電路8、 9，該過載保護(hù)電路用于在開關(guān)上可能產(chǎn)生的破壞 性高電壓時，防止電流在開關(guān)模塊上產(chǎn)生破壞性的尖峰電壓。過載保護(hù) 電路8連并聯(lián)于開關(guān)S 1的陰極和開關(guān)S2的陽極之間，過載保護(hù)電路9并聯(lián) 于開關(guān)S4的陰極和開關(guān)S3的陽極之間。
以上是本發(fā)明的交流斬波器的電路結(jié)構(gòu)，斬波器要向負(fù)載5連續(xù)供 電，從這一功能的意義上講，本發(fā)明的圖9中的開關(guān)組可仍然類似于現(xiàn) 有技術(shù)的圖4那樣將開關(guān)裝置S卜S4分為兩組S1與S4組成一對雙向開關(guān) Tl， S2與S3組成一對雙向開關(guān)T2。這樣一來，交流電源AC、雙向開關(guān) Tl、電感L、和負(fù)載5就有可能構(gòu)成第一回路，第一回路導(dǎo)通時，電源向 電感充電；而雙向開關(guān)T2、電感L、和負(fù)載5就有可能構(gòu)成第二回路,第 二回路導(dǎo)通時，電感處于續(xù)流狀態(tài)；每個回路都可向負(fù)載5提供電流； 為了向負(fù)載5提供連續(xù)的供電，無論開關(guān)裝置S1-S4的導(dǎo)通或者截止順序 如何，本發(fā)明的交流斬波器都要保證至少兩個回路中的一個是導(dǎo)通的。
以下詳細(xì)說明本發(fā)明的交流斬波器中的運(yùn)行過程。大部分情況下， 在開關(guān)切換狀態(tài)時電感中電流也就是斬波器輸出電流的極性是不會發(fā) 生改變的，只有在電流過零點(diǎn)附近例外，而在電流過零點(diǎn)處電流是很微 弱的，這樣即使電流極性在開關(guān)切換時產(chǎn)生改變，也不會影響系統(tǒng)的正 常工作。在電感進(jìn)入充電或續(xù)流狀態(tài)后，斬波器輸出電流的極性與開關(guān)
24的狀態(tài)無關(guān)。因此，在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，可以將電感看成一個極性不變
的電流源。下面結(jié)合圖10a-圖10j和圖lla、圖llb來說明開關(guān)的切換時， 電感L在充電與續(xù)流狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。其中圖1 la和圖1 lb中開關(guān)在 高電平時導(dǎo)通，低電平時關(guān)斷。其中S1與S4組成一對雙向開關(guān)T1， S2 與S3組成一對雙向開關(guān)T2，為了簡化起見，Tl和T2不再標(biāo)注于圖10a-圖 10j中；前面所述第一回路即圖10a-圖10j中的較大的回路，第二回路即圖 10a-圖10j中的較小的回路。
當(dāng)電流極性檢測器6檢測到斬波器輸出電流極性為正時，開關(guān)模式 轉(zhuǎn)換順序如下，以便使電感完成從續(xù)流轉(zhuǎn)換到充電再轉(zhuǎn)換到續(xù)流的完整 循環(huán) -
第l模式如圖10a所示，開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，開關(guān)信號 對應(yīng)于圖lla中的時隙a，電感處于續(xù)流狀態(tài)。此時，電感中的電流il沿 其所示方向在第二回路流動。
第2模式如圖10b所示，Sl、 S4、 S3關(guān)斷，S2導(dǎo)通，開關(guān)信號對應(yīng) 于圖lla中的時隙b，此時電流仍維持前狀態(tài)。
第3模式如圖10c所示，Sl、 S3關(guān)斷，S2、 S4導(dǎo)通，開關(guān)信號對應(yīng) 于圖lla中的時隙c，這時電流可以有兩個回路。當(dāng)輸入電源電壓ui〉0 時，只有il存在于第二回路中；當(dāng)ui〈0時，由于S1中的二極管正向偏置 導(dǎo)通，同時在第一回路和第二回路中存在il、 i2兩個電流。
第4模式如圖10d所示，Sl、 S2、 S3關(guān)斷，S4導(dǎo)通，開關(guān)信號對應(yīng) 于圖lla中的時隙d，這時電路只在第一回路存在電流il，電源向電感充 電-'
第5模式如圖10e所示，S2、 S3關(guān)斷，Sl、 S4導(dǎo)通，開關(guān)信號對應(yīng) 于圖lla中的時隙e，電路中電流保持前一個狀態(tài)不變。至此，電感完成了從續(xù)流到充電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
總結(jié)上述過程，當(dāng)斬波器輸出電流極性為正，電感在從續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)
換到充電狀態(tài)時，開關(guān)按照圖lla中a—b—c—d—e的順序變換開關(guān)狀 態(tài)。而當(dāng)斬波器輸出電流極性為正，電感在從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到續(xù)流狀態(tài) 時，開關(guān)按照圖lla中e—d—c—b—a的順序變換開關(guān)狀態(tài)。這樣，在斬 波器輸出電流極性為正時，電感就完成了從續(xù)流轉(zhuǎn)換到充電再轉(zhuǎn)換到續(xù) 流的完整循環(huán)。
當(dāng)電流極性檢測器6檢測到斬波器輸出電流極性為負(fù)時，開關(guān)模式 轉(zhuǎn)換順序如下，以便使電感完成從續(xù)流轉(zhuǎn)換到充電再轉(zhuǎn)換到續(xù)流的完整 循環(huán)
第6模式如圖10浙示，開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，開關(guān)信號 對應(yīng)于圖llb中的時隙f，電感處于續(xù)流狀態(tài)。此時，電感中的電流il延 其所示方向在第二回路流動。
第7模式如圖10g所示，Sl、 S4、 S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通，開關(guān)信號對應(yīng) 于圖llb中的時隙g，此時電流仍維持前狀態(tài)。
第8模式如圖10h所示，S2、 S4關(guān)斷，Sl、 S3導(dǎo)通，開關(guān)信號對應(yīng) 于圖llb中的時隙h，這時電流可以有兩個回路。當(dāng)輸入電源電壓ui < 0 、 時，只有il存在；當(dāng)ui > 0時，由于S4中的二極管正向偏置導(dǎo)通，同 時存在il、 i2兩個電流。
第9模式如圖10i所示，S2、 S3 、 S4關(guān)斷，Sl導(dǎo)通，開關(guān)信號 對應(yīng)于圖llb中的時隙i，這時電路只存在電流il，電源開始向電感充電；
第10模式如圖10j所示，Sl、 S4導(dǎo)通，S2、 S3關(guān)斷，開關(guān)信號對 應(yīng)于圖llb中的時隙j，電路中電流保持前一個狀態(tài)不變。此時，電感轉(zhuǎn) 換到充電狀態(tài)。至此，電感完成從續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換到充電狀態(tài)?？偨Y(jié)上述過程，當(dāng)斬波器輸出電流極性為負(fù)，電感在從續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn) 換到充電狀態(tài)時，開關(guān)按照圖llb中f—g一h—i—j的順序變換開關(guān)狀 態(tài)。而當(dāng)斬波器輸出電流極性為負(fù)，電感在從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到續(xù)流狀態(tài)
時，開關(guān)按照圖llb中j—i—h—g—飾順序變換開關(guān)狀態(tài)。這樣，在斬波
器輸出電流極性為負(fù)時，電感就完成了從續(xù)流轉(zhuǎn)換到充電再轉(zhuǎn)換到續(xù)流 的完整循環(huán)。
以下通過本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明的斬波器及其斬波方
法進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中開關(guān)S1、 S2、 S3、 S4中的晶體管采用IGBT。 在該優(yōu)選實(shí)施例中，如圖9所示，開關(guān)S1、 S2、 S3、 S4使用的是兩 個IGBT半橋模塊，分別通過兩個雙IGBT驅(qū)動板驅(qū)動，驅(qū)動板的信號由 開關(guān)控制邏輯生成，其中一個IGBT半橋模塊包括開關(guān)S1和開關(guān)S2， Sl 的陽極與S2的陰極相連，另一個IGBT半橋模塊包括開關(guān)S3和開關(guān)S4， S4的陽極與S3的陰極相連。當(dāng)S1、 S4導(dǎo)通，S2、 S3關(guān)斷時，電感處于充 電狀態(tài)；當(dāng)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通時，電感處于續(xù)流狀態(tài)。IGBT半橋 模塊中的一對IGBT，由雙IGBT驅(qū)動板驅(qū)動。雙IGBT驅(qū)動板接受開關(guān)控制 邏輯產(chǎn)生的P西信號，動控制一個IGBT半橋上的兩個IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷。 由于一個IGBT半橋上的兩個IGBT不能同時導(dǎo)通，也就是說開關(guān)S1和開關(guān) S2不能同時導(dǎo)通、開關(guān)S3和開關(guān)S4不能同時導(dǎo)通，IGBT驅(qū)動板在接受PWM 信號驅(qū)動一個IGBT關(guān)斷后驅(qū)動另一個IGBT導(dǎo)通時，會在中間插入一段死 區(qū)時間。這個死區(qū)時間在P麗信號中不需要加入，由驅(qū)動板自動產(chǎn)生。
分析圖ll中開關(guān)的切換時序可以看出，每次電感在充電狀態(tài)和續(xù)流 狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，總是一個IGBT半橋的兩個開關(guān)先切換狀態(tài)，而后另一 個IGBT半橋模塊的開關(guān)再切換狀態(tài)。任何時刻，每個IGBT半橋模塊中 的兩個開關(guān)不同時導(dǎo)通， 一個開關(guān)由導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)后，經(jīng)過
27一段死區(qū)時間，另一個開關(guān)由關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)。在圖lla和圖 llb中，時隙d和時隙g是Sl和S2之間的死區(qū)時間，時隙b和時隙i是S3和 S4之間的死區(qū)時間。當(dāng)一對互補(bǔ)(相位相反)的PWM信號控制一個IGBT 半橋上的開關(guān)時，可以在IGBT驅(qū)動板上設(shè)置死區(qū)時間，不會發(fā)生兩個開 關(guān)同時導(dǎo)通的情況。因此，可以使用一對互補(bǔ)的PWM信號輸入雙IGBT 驅(qū)動板來驅(qū)動IGBT半橋模塊上的兩個開關(guān)。這樣可以將圖11中的開關(guān)信 號的時序圖加以簡化，其中開關(guān)S1、 S2的驅(qū)動板使用的是一對互補(bǔ)的信 號，開關(guān)S3、 S4的驅(qū)動板使用的是一對互補(bǔ)的信號。所謂互補(bǔ)的信號， 即一個IGBT半橋上一個幵關(guān)信號為高電平時，另一個開關(guān)信號為低電 平。 一個IGBT半橋上的兩個開關(guān)在相互轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)時，由驅(qū)動電路插 入死區(qū)時間，使得其中一個開關(guān)先關(guān)斷，經(jīng)過死區(qū)時間后，另一個開關(guān) 再導(dǎo)通。這樣只需要分析一個IGBT半橋中的開關(guān)S1與另一個IGBT半橋 中的開關(guān)S4之間的開關(guān)切換時序，即可得出負(fù)載電流方向與開關(guān)信號之 間的邏輯關(guān)系。圖lla顯示了負(fù)載電流極性為正時，各開關(guān)信號與輸入 的PWM信號之間的關(guān)系。圖llb顯示了負(fù)載電流極性為負(fù)時，各開關(guān)信 號與輸入的PWM信號之間的關(guān)系。施加在開關(guān)S1、 S2、 S3、 S4上的信 號由控制器或其他方法產(chǎn)生的PWM信號通過邏輯電路產(chǎn)生，根據(jù)圖lla 和圖1 lb可以分析出各開關(guān)信號與輸入PWM信號之間的邏輯關(guān)系。在圖 12中可以看出，開關(guān)S1和S2是一個IGBT半橋上的兩個開關(guān)，它們由一 對互補(bǔ)的信號控制，開關(guān)之間的死區(qū)時間為t2圖中時隙d和g;開關(guān)S3和 S4是另一個IGBT半橋上的兩個開關(guān)，它們由一對互補(bǔ)的信號控制，開 關(guān)之間的死區(qū)時間為中時隙b和i。開關(guān)S1、 S2、 S3、 S4上的控制信號可 以由下面的方法得到將輸入的PWM信號延時一段時間tl，這個時間要 大于一個IGBT半橋上兩個開關(guān)切換時的死區(qū)時間，可以取死區(qū)時間的兩倍。這樣就得到兩個占空比相同，但之間存在延時tl的兩個PWM信號，
我們稱相位在前的PWM信號為"前相"信號，相位在后的PWM信號為 "后相"信號。如圖12a所示，當(dāng)負(fù)載電流極性為正時，開關(guān)S1上的控 制信號可以這樣得到當(dāng)"前相"信號為高電平時，Sl上施加"后相" 信號；當(dāng)"前相"信號為低電平時，Sl上施加"前相"信號。如圖12b 所示，當(dāng)負(fù)載電流極性為負(fù)時，開關(guān)S1上的控制信號可以這樣得到當(dāng)
"前相"信號為高電平時，Sl上施加"前相"信號；當(dāng)"前相"信號為
低電平時，Sl上施加"后相"信號。在圖中同時可以看出，當(dāng)S1上施加 高電平信號導(dǎo)通時，同一個IGBT半橋上的開關(guān)S2會先關(guān)閉，經(jīng)過死區(qū)時 間后S1再導(dǎo)通。同理，可以導(dǎo)出開關(guān)S4上施加的信號，并得到表l。
表l
"前相"信號電感電流極性開關(guān)S1上施加的 信號開關(guān)S4上施加的 信號 —
高電平(1)+ (1)"后相"(0)"前相"(1)
低電平(0)+ (1)"前相"(1)"后相"(0)
高電平(1)-(0)"前相"(1)"后相"(0)
低電平(0)-(0)"后相"(0)"前相"(1)
從表l中可以看出，開關(guān)S1上施加的控制信號是"前相"信號還是 "后相"信號，由"前相"PWM信號和電感電流的極性信號"異或" 后得到的信號決定，異或后的信號為低電平時，Sl上施加"后相"信號， 異或后的信號為高電平時，Sl上施加"前相"信號。開關(guān)S4上施加的控 制信號是"前相"信號還是"后相"信號則與開關(guān)S1上的信號相反，由 "前相"PWM信號和電感電流的極性信號"異或"后得到的信號為高
29電平時，S4上施加"前相"信號，異或后的信號為高電平時，S4上施加
"后相"信號。這樣，開關(guān)控制邏輯就非常簡單了。結(jié)合圖12對開關(guān)控 制邏輯進(jìn)行敘述。首先，將某一占空比的PWM信號送入開關(guān)控制邏輯， 將PWM信號延時后得到一個"前相"PWM信號和一個"后相"PWM信
號，并反向得到它們的互補(bǔ)信號。"前相"PWM信號與電流極性信號"異. 或"得到的信號送入選擇器，選擇信號為高電平時選擇用"前相"PWM 信號控制功率開關(guān)S1，選擇信號為低電平時選擇用"后相"PWM信號 控制功率開關(guān)S1。"前相"PWM信號與電流極性信號"異或"得到的信 號再經(jīng)過一個反向器后送入選擇器，選擇信號為髙電平時選擇用"前相" PWM信號控制功率開關(guān)S4，選擇信號為低電平時選擇用"后相"PWM 信號控制功率開關(guān)S4。同時開關(guān)S2使用與S1互補(bǔ)的PWM信號，功率開 關(guān)S3使用與S4互補(bǔ)的PWM信號。 一個IGBT半橋上的兩個開關(guān)切換狀態(tài) 時的死區(qū)時間由雙IGBT驅(qū)動板插入，不需要控制邏輯產(chǎn)生。
另外，在某些情況下，開關(guān)上可能產(chǎn)生破壞性的高電壓。比如，當(dāng) 系統(tǒng)過載時，L中的電流會變的很大。這時，所有的IGBT模塊會因過流 而自動保護(hù)關(guān)斷，電感中的電流由于沒有回路而會在開關(guān)模塊上產(chǎn)生破 壞性的尖峰電壓?；蛘?，在電感中電流較大的時刻發(fā)生了電流極性檢測 錯誤，也會導(dǎo)致電流失去回路。下面結(jié)合圖13說明本斬波器的過載保護(hù) 電路的工作原理。為了防止電感中的電流沒有回路而在開關(guān)模塊上產(chǎn)生 破壞性的尖峰電壓，本能發(fā)明設(shè)置了過載保護(hù)電路單元，包括兩個過載 保護(hù)電路。其中一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第一單向開關(guān)S1的陰極和第二 單向開關(guān)S2的陽極之間；另 一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第四單向開關(guān)S4的 陰極和第三單向開關(guān)S3的陽極之間，用于保護(hù)所述開關(guān)不受尖峰電壓的 破壞。兩個過載保護(hù)電路工作時的電流路徑如圖13箭頭所示。過載保護(hù)電路由一個二極管和有源電壓箝位電路串聯(lián)組成，然后并
聯(lián)在一個IGBT半橋上開關(guān)不相連的兩端，其中二極管的陽極與一個開關(guān) 的陰極相連，二極管的陰極與有源電壓箝位電路的輸入相連，有源電壓 箝位電路的輸出接另一個開關(guān)的陽極。斬波器正常工作時，沒有電流通 過有源電壓箝位器。當(dāng)電感中的電流在斬波電路中失去回路時，電感中 的電流通過回路il和i2被有源電壓箝位器吸收，防止電流在開關(guān)模塊上 產(chǎn)生破壞性的尖峰電壓。有源電壓箝位器電路結(jié)構(gòu)如圖14所示，電流i 對電容C充電，當(dāng)Uc大于保護(hù)電壓時，Q導(dǎo)通，電容通過電阻R放電。當(dāng) Uc小于保護(hù)電壓時，Q截止，i繼續(xù)對電容充電。這樣，電感中的電流在 斬波電路中失去回路時就被緩沖器吸收掉了，達(dá)到了保護(hù)開關(guān)的目的。 當(dāng)然，圖13和14只是本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明還可以采用其他種類 和結(jié)構(gòu)的過載保護(hù)裝置。
由于本發(fā)明的開關(guān)控制策略的特點(diǎn)是基于斬波器輸出電流極性的， 開關(guān)的控制方法是與斬波器輸出電流，也就是負(fù)載中電流極性相關(guān)的， 而與輸入電壓極性無關(guān)。電路中的電感在充電與續(xù)流這兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn) 換時，根據(jù)負(fù)載電流極性的不同，采用不同的開關(guān)切換策略。在電感進(jìn) 入充電或續(xù)流狀態(tài)后，開關(guān)的狀態(tài)與負(fù)載電流的極性無關(guān)，只需要在每 次開關(guān)切換之前檢測一次電流極性就可以了，不需要對電流極性進(jìn)行連 續(xù)的檢測。由于電感的儲能作用，并且從電感充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到電感續(xù)流 狀態(tài)的時間相對與PWM周期是很小的(實(shí)際小于1%)。電流在電路狀 態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個PWM周期中的變化。假如整個PWM 周期電流的變化是100A，那么開關(guān)切換間隙時間電流的變化小于1A。 因此，在大部分時間里，可以認(rèn)為電感在充電和續(xù)流狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的很
31小一段時間內(nèi)，電感中電流的極性是不變的。只有在電流的過零點(diǎn)附近， 電感在充電和續(xù)流狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，電流極性才有可能發(fā)生變化，引起 錯誤的開關(guān)控制策略。但是，在電流過零點(diǎn)附近，負(fù)載中的電流是很小 的，不會在開關(guān)上產(chǎn)生破壞性尖峰電壓。因此，這種基于負(fù)載電流極性 檢測的方法是可靠的。由于其電流檢測的非連續(xù)性，也減少了系統(tǒng)發(fā)生 反饋振蕩的可能。
本發(fā)明中的過載保護(hù)電路，在系統(tǒng)過載或在電流很大的情況下電流 極性檢測發(fā)生錯誤時，可以保護(hù)開關(guān)不受損壞。
由于只在開關(guān)切換的時候檢測電流，不是連續(xù)進(jìn)行，因此，在過零
檢測時不容易引起振蕩，可以應(yīng)用于高壓領(lǐng)域、EMI。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參考其中的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的 技術(shù)人員仍然可進(jìn)行很多變通，改進(jìn)等等。只要不超出本發(fā)明精神，都 應(yīng)該在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種交流斬波器，連接于交流電源和負(fù)載之間，包括開關(guān)組，包括多個開關(guān)，與所述交流電源連接；電感，其一端與所述開關(guān)組連接，另一端與所述負(fù)載連接；其特征在于，所述交流斬波器還包括電流極性檢測器，連接于所述電感和所述負(fù)載之間，用于在所述開關(guān)切換狀態(tài)的時刻檢測所述斬波器輸出給所述負(fù)載的電流的方向，即電感電流方向；開關(guān)控制邏輯單元，接收所述電流極性檢測器發(fā)來的電流方向信號，并根據(jù)所述電流方向信號向所述開關(guān)組的多個開關(guān)發(fā)出不同的控制時序信號，以控制所述多個開關(guān)的導(dǎo)通順序，使得所述電感在續(xù)流狀態(tài)與充電狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。
2、 如權(quán)利要求l所述的交流斬波器，其特征在于，所述開關(guān)組包括 雙向開關(guān)T1和雙向開關(guān)T2，所述交流電源、所述界向開關(guān)T1、所述電感、 和所述負(fù)載構(gòu)成第一回路，所述雙向開關(guān)T1導(dǎo)通則所述第一回路導(dǎo)通 時，所述電源向所述電感充電；而所述雙向開關(guān)T2、所述電感、和所述 負(fù)載構(gòu)成第二回路，所述雙向開關(guān)T2導(dǎo)通則所述第二回路導(dǎo)通時，所述 電感處于續(xù)流狀態(tài)；所述第一回路和所述第二回路至少有一個是導(dǎo)通 的。
3、 如權(quán)利要求2所述的交流斬波器，其特征在于，所述開關(guān)組包括 第一單向開關(guān)S1、第二單向開關(guān)S2、第三單向開關(guān)S3、和第四單向開關(guān) S4;所述雙向開關(guān)T1包括第一單向開關(guān)S1和第四單向開關(guān)S4，所述雙向開關(guān)T2包括第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3;其中S1的陽極與S2的陰 極相連，S2的陽極與S3的陽極的相連，S3的陰極與S4的陽極相連；其中 每一個單向開關(guān)分別包括相互并聯(lián)的晶體管器件和二極管，所述二極管 并聯(lián)于所述晶體管的集電極和發(fā)射極之間，所述二極管的陰極與所述晶 體管集電極連接，這一端為所述開關(guān)的陰極；所述二極管的陽極與所述 晶體管發(fā)射極連接，這一端為開關(guān)的陽極。
4、 如權(quán)利要求3所述的交流斬波器，其特征在于，所述晶體管是雙 極型結(jié)型晶體管、IGBT、金屬氧化物場效應(yīng)管晶體管、磁控管、或門 控?cái)嗔髌鳌?br> 5、 如權(quán)利要求2或3所述的交流斬波器，其特征在于，所述開關(guān)控 制邏輯單元對所述多個開關(guān)的控制包括以下模式當(dāng)所述電流極性檢測器檢測到所述斬波器輸出電流極性為正時，所 述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為正，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如下第l模式所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第2模式仍維持所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第3模式當(dāng)所述交流電源的輸入電源電壓uiX)時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui〈0時，第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；第4模式只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 第5模式保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 當(dāng)所述電流極性檢測器檢測到所述斬波器輸出電流極性為負(fù)時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為負(fù)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如下第6模式所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第7模式仍維持所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第8模式當(dāng)所述交流電源的輸入電源電壓ui < 0時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui 〉 0時，所述第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；第9模式只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 第10模式保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)。
6、如權(quán)利要求5所述的交流斬波器，其特征在于，所述模式進(jìn)一步包括當(dāng)所述電流極性檢測器檢測到所述斬波器輸出電流極性為正時，所 述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為正，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如 下 '第l模式開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，所述第二回路導(dǎo)通，所 述電感處于續(xù)流狀態(tài)；第2模式Sl、 S4、 S3關(guān)斷，S2導(dǎo)通，仍維持所述第二回路導(dǎo)通， 所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；第3模式Sl、 S3關(guān)斷，S2、 S4導(dǎo)通，當(dāng)所述交流電源的輸入電源電壓uiX)時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui〈0時， 第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；'第4模式Sl、 S2、 S3關(guān)斷，S4導(dǎo)通，只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)；第5模式S2、 S3關(guān)斷，Sl、 S4導(dǎo)通，保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)；當(dāng)所述電流極性檢測器檢測到所述斬波器輸出電流極性為負(fù)時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為負(fù)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如 下第6模式開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，所述第二回路導(dǎo)通，所 述電感處于續(xù)流狀態(tài)；第7模式Sl、 S4、 S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通，仍維持所述第二回路導(dǎo)通， 所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；第8模式S2、 S4關(guān)斷，Sl、 S3導(dǎo)通，當(dāng)所述交流電源的輸入電源 電壓ui < 0時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui > 0 時，所述第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀 態(tài)；第9模式S2、 S3 、 S4關(guān)斷，Sl導(dǎo)通，只有所述第一回路導(dǎo)通， 所述電感處于充電狀態(tài)；第10模式S2、 S3關(guān)斷，Sl、 S4導(dǎo)通，保持只有所述第一回路導(dǎo)通， 所述電感處于充電狀態(tài)。
7、 如權(quán)利要求1或6所述的交流斬波器，其特征在于，所述開關(guān)控 制邏輯單元通過脈寬調(diào)制信號控制所述開關(guān)。
8、 如權(quán)利要求7所述的交流斬波器，其特征在于， 所述開關(guān)組包括兩個IGBT半橋模塊，第一IGBT半橋模塊包括開關(guān)S1和開關(guān)S2，第二IGBT半橋包括開關(guān)S3和開關(guān)S4; .每個IGBT半橋模塊分別連接一個雙IGBT驅(qū)動板，每個所述雙IGBT 驅(qū)動板接收一對互補(bǔ)的所述脈寬調(diào)制信號并向相應(yīng)IGBT半橋模塊中兩 個開關(guān)分別發(fā)出包括導(dǎo)通或關(guān)斷在內(nèi)的驅(qū)動信號，其中每個導(dǎo)通或關(guān)斷 信號之間設(shè)置有一個死區(qū)時間；所述兩個IGBT半橋模塊的所述脈寬調(diào)制信號之間存在一段延時時間tl, tl大于所述死區(qū)時間。
9、 如權(quán)利要求8所述的交流斬波器，其特征在于，tl為所述死區(qū)時 間的兩倍。
10、 如權(quán)利要求3、 4、或5所述的交流斬波器，其特征在于，還包括兩個過載保護(hù)電路，用于保護(hù)所述多個開關(guān)不受尖峰電壓的破壞；其 中一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第一單向開關(guān)S1的陰極和第二單向開關(guān)S2 的陽極之間；另一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第四單向開關(guān)S4的陰極和第三 單向開關(guān)S3的陽極之間；每個過載保護(hù)電路包括一個二極管和有源電壓 箝位電路。
11、 一種交流斬波方法，適用于如權(quán)利要求i-io所述的交流斬波器，其特征在于，包括以下步驟所述電流極性檢測器在所述開關(guān)切換狀態(tài)的時刻檢測所述 斬波器輸出給所述負(fù)載的電流的方向，即電感電流方向；所述開關(guān)控制邏輯單元接收所述電流方向信號，并根據(jù)所述 電流方向信號向所述開關(guān)組的多個開關(guān)發(fā)出不同的控制時序信號；所述多個開關(guān)根據(jù)所述控制時序信號而導(dǎo)通或關(guān)斷，使得所 述電感在續(xù)流狀態(tài)與充電狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。
12、 如權(quán)利要求ll所述的交流斬波方法，其特征在于，所述第一回 路導(dǎo)通時，所述電源向所述電感充電；而所述第二回路導(dǎo)通時，所述電 感處于續(xù)流狀態(tài)；所述第一回路和所述第二回路至少有一個是導(dǎo)通的。
13、 如權(quán)利要求11或12所述的交流斬波方法，其特征在于，所述開 關(guān)控制邏輯單元對所述多個開關(guān)的控制包括以下模式當(dāng)所述電流極性檢測方法檢測到所述斬波方法輸出電流極性為正 時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為正，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如下第l模式所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第2模式仍維持所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第3模式當(dāng)所述交流電源的輸入電源電壓uiX)時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui〈0時，第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；第4模式只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 第5模式保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 當(dāng)所述電流極性檢測方法檢測到所述斬波方法輸出電流極性為負(fù)時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為負(fù)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換順序如下第6模式所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第7模式仍維持所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)； 第8模式當(dāng)所述交流電源的輸入電源電壓ui < 0時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui 〉 0時，所述第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；第9模式只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)； 第10模式保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)。
14、如權(quán)利要求13所述的交流斬波方法'，其特征在于，所述模式進(jìn)一步包括當(dāng)所述電流極性檢測方法檢測到所述斬波方法輸出電流極性為正 時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為正，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換 順序如下第l模式開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，所述第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；第2模式Sl、 S4、 S3關(guān)斷，S2導(dǎo)通，仍維持所述第二回路導(dǎo)通， 所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；第3模式Sl、 S3關(guān)斷，S2、 S4導(dǎo)通，當(dāng)所述交流電源的輸入電源 電壓uiX)時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui〈0時， 第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀態(tài)；'第4模式Sl、 S2、 S3關(guān)斷，S4導(dǎo)通，只有所述第一回路導(dǎo)通，所 述電感處于充電狀態(tài)；第5模式S2、 S3關(guān)斷，Sl、 S4導(dǎo)通，保持只有所述第一回路導(dǎo)通， 所述電感處于充電狀態(tài)；當(dāng)所述電流極性檢測方法檢測到所述斬波方法輸出電流極性為負(fù) 時，所述電感的續(xù)流狀態(tài)和充電狀態(tài)的電流極性也為負(fù)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換 順序如下第6模式開關(guān)S1、 S4關(guān)斷，S2、 S3導(dǎo)通，所述第二回路導(dǎo)通，所 述電感處于續(xù)流狀態(tài)；第7模式Sl、 S4、 S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通，仍維持所述第二回路導(dǎo)通， 所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；第8模式S2、 S4關(guān)斷，Sl、 S3導(dǎo)通，當(dāng)所述交流電源的輸入電源 電壓ui < 0時，只有第二回路導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流狀態(tài)；當(dāng)ui > 0 時，所述第一回路和第二回路都導(dǎo)通，所述電感處于續(xù)流和充電并存狀 態(tài)；第9模式S2、 S3 、 S4關(guān)斷，Sl導(dǎo)通，只有所述第一回路導(dǎo)通， 所述電感處于充電狀態(tài)；第10模式S2、 S3關(guān)斷，Sl、 S4導(dǎo)通，保持只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電感處于充電狀態(tài)。
15、 如權(quán)利要求ll、 12、 13或14所述的交流斬波方法，其特征在于，所述開關(guān)控制邏輯單元通過脈寬調(diào)制信號控制所述開關(guān)。
16、 如權(quán)利要求15所述的交流斬波方法，其特征在于，、將所述開關(guān)組分為兩個IGBT半橋模塊，第一IGBT半橋模塊包括開 關(guān)S1和開關(guān)S2，第二IGBT半橋包括開關(guān)S3和開關(guān)S4;每個IGBT半橋模塊分別連接一個雙IGBT驅(qū)動板，每個所述雙IGBT 驅(qū)動板接收一對互補(bǔ)的所述脈寬調(diào)制信號并向相應(yīng)IGBT半橋模塊中兩 個開關(guān)分別發(fā)出包括導(dǎo)通或關(guān)斷在內(nèi)的驅(qū)動信號，其中每個導(dǎo)通或關(guān)斷 信號之間設(shè)置有一個死區(qū)時間；所述兩個IGBT半橋模塊的所述脈寬調(diào)制信號之間存在一段延時時 間tl， tl大于所述死區(qū)時間。
17、 如權(quán)利要求16所述的交流斬波方法，其特征在于，tl為所述死 區(qū)時間的兩倍。
18、 如權(quán)利要求ll、 12、 13、 14、 15、 16或17所述的交流斬波方法， 其特征在于，采用兩個過載保護(hù)電路保護(hù)所述多個開關(guān)不受尖峰電壓的 破壞；其中一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第一單向開關(guān)S1的陰極和第二單向 開關(guān)S2的陽極之間；另一個過載保護(hù)電路并聯(lián)在第四單向開關(guān)S4的陰極 和第三單向開關(guān)S3的陽極之間；每個過載保護(hù)電路包括一個二極管和有 源電壓箝位電路。
全文摘要
一種交流斬波器及其斬波方法，斬波器連接于交流電源和負(fù)載之間，包括開關(guān)組，包括多個開關(guān)，與交流電源連接；電感，其一端與開關(guān)組連接，另一端與負(fù)載連接；電流極性檢測器，連接于電感和負(fù)載之間，用于在開關(guān)切換狀態(tài)的時刻檢測斬波器輸出給負(fù)載的電流的方向；開關(guān)控制邏輯單元，接收電流極性檢測器發(fā)來的電流方向信號，并根據(jù)電流方向信號向多個開關(guān)發(fā)出不同的控制時序信號，以控制其導(dǎo)通順序，使得電感在續(xù)流狀態(tài)與充電狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。由于本方法基于電流極性而非電壓極性進(jìn)行檢測，因此在任何時刻沒有輸入電壓短路存在；而且本方法只在開關(guān)切換狀態(tài)時刻檢測電流極性，是一種非連續(xù)性的檢測方法，系統(tǒng)不容易產(chǎn)生振蕩。
文檔編號H02M5/02GK101588132SQ200810167210
公開日2009年11月25日 申請日期2008年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者徐雅梅 申請人:北京博旺天成科技發(fā)展有限公司