Последовательный мост силовых переключателей со способностью автоматического распределения напряжения

005457 Настоящее изобретение относится к мосту силовых переключателей в регуляторе скорости изменения частоты, который принадлежит к области силовой электроники. В области силовой электроники широко используются электронные силовые переключатели, такие как мосты биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) в прерывателе, мосты IGBT в каждом типе преобразователей высокого и среднего напряжения в частоту,за их отличные способности по управлению электричеством. Электронные силовые переключатели обычно имеют низкую стойкость по напряжению. Если электронные силовые переключатели включены последовательно в цепь высокого напряжения, то последние переключенные силовые переключатели при включении питания или первые переключенные силовые переключатели при выключении питания будут подвергаться слишком высокому напряжению из-за разного времени переключения различных переключателей и перенапряжения, наведенного в контурных индукторах из-за производной di/dt (т.е. изменения тока), и вследствие этого разрушатся, что делает применение последовательно включенных силовых переключателей очень сложным для разработки. Поэтому одним из обычных способов, используемых в настоящее время в высоковольтных цепях, является применение последовательно включенных ведущего трансформатора со сдвигом частоты и цепи моста IGBT A-D-A, то есть цепи суперпозиции моста "Н" (см. статью "Electric Driving" ("Электрические приводы"), опубликованную в издании TianjinResearch Institute of Electric Driving, 2000, 2, p. 3-6). Эти цепи имеют следующие недостатки: усложненная конструкция, затрудненное изготовление, высокая стоимость и высокая частота ошибок. Задачей настоящего изобретения является преодоление вышеупомянутых недостатков и обеспечение последовательного моста силовых переключателей, образованного электронными силовыми переключателями с низкой стойкостью по напряжению, подключенных напрямую последовательно, который имеет функции статического распределения напряжения, динамического распределения напряжения и гашения скачкообразного напряжения. Последовательный мост силовых переключателей, соответствующий настоящему изобретению, состоит из моста силовых переключателей и моста цепей DRwC динамического-статического распределения и гашения напряжения. Упомянутый мост силовых переключателей состоит из нескольких последовательных силовых переключателей. Число цепей DRwC в мосте цепей динамического-статического распределения и гашения напряжения соответствует числу силовых переключателей. Положительные выводы и отрицательные выводы каждой цепи DRwC и соответствующего силового переключателя соединены соответственно. Упомянутая цепь DRwC состоит из диода D, конденсатора С и регулятора напряжения Rw, причем диод D включен последовательно с цепью из регулятора Rw напряжения и конденсатора С, которые параллельны. Упомянутый регулятор Rw напряжения прерывателя состоит из силового МОП-транзистора М, компаратора В, делящих напряжение резисторов R7 и R8 и потребляющего энергию резистора Rx, причем один конец потребляющего энергию резистора Rx подключен к стоку силового МОП-транзистора М, другой конец потребляющего энергию резистора Rx подключен к отрицательному выводу силового переключателя, средняя точка между последовательными резисторами R7 иR8 подключена к неинвертирующему входному выводу компаратора В, выходной вывод компаратора В подключен к затвору силового МОП-транзистора М, исток силового МОП-транзистора М подключен к положительному выводу силового переключателя и другому концу резистора R7. Принцип изобретения заключается в следующем. Когда электронный силовой переключатель не работает, регуляторы Rw напряжения в цепи DRwC выполняют статическое распределение напряжения для силовых переключателей, включенных последовательно. Когда электронные силовые переключатели переключаются в рабочее или нерабочее состояние, то перенапряжение, выработанное из-за несоответствующего времени переключения или контурным индуктором из-за изменения тока di/dt, сначала гасится конденсатором С в цепи DRwC посредством заряда. Напряжение на конденсаторе С будет расти в соответствии с зарядом, и при обнаружении этого повышения напряжения Rw будет немедленно разряжать только что заряженную энергию, тем самым поддерживая напряжение на конденсаторе С равным заранее заданному значению или ниже него. Тем самым решается проблема, связанная с последовательными электронными силовыми переключателями, выгорающими из-за несоответствующего времени переключения отдельных силовых переключателей. Когда напряжение на конденсаторе С превышает заранее заданное значение (то есть VaVb), компаратор В напряжения реверсируется, и включается силовой МОП-транзистор М, потребляя энергию на резисторе Rx, тем самым поддерживания напряжение на конденсаторе С ниже заранее заданного значения. Функция упомянутого регулятора Rw напряжения аналогична функции автоматического переменного резистора с эквивалентным резистором R=R7+R8 в статическом состоянии или R=Rx (RxR7+R8) в динамическом состоянии перенапряжения, тем самым значительно сокращая время разряда конденсатора С и увеличивая точность стабилизации напряжения. Предположим такую ситуацию, что, когда цепь DRwC выходит из строя, на силовом переключателе появится высокое напряжение, или когда в цепи появится большой импульсный ток, или когда цепь закорачивается, напряжение заряда на конденсаторе превысит заданное значение, тогда дополнительно может быть предусмотрена защитная цепь, состоящая из цепи Т обнаружения состояния и нескольких-1 005457 гасителей скачка напряжения, подключенных параллельно к каждой цепи DRwC. Упомянутая цепь обнаружения состояния состоит из компаратора А, диодов DL и DH и резисторов R3, R4, R5 и R6, причем анод диода DL и один конец каждого из R5 и R6 подключен к неинвертирующему входному выводу компаратора А, катод диода DL подключен к одному концу R4, другой конец R5 подключен к аноду диода DH и одному концу R3, другой конец R6 подключен к отрицательному выводу моста последовательных силовых переключателей, вывод обнаружения высокого уровня упомянутой цепи обнаружения состояния подключен к положительному выводу первой цепи DRwC, а вывод обнаружения низкого уровня упомянутой цепи обнаружения состояния подключен к отрицательному выводу последней цепиDRwC. Когда случается вышеупомянутая ситуация, где напряжение заряда на конденсаторе С превышает заданное значение, гаситель скачка напряжения, подключенный параллельно к каждой цепи DRwC (а также к каждому силовому переключателю), будет разряжать это перенапряжение за чрезвычайно короткое время, тем самым защищая этот переключатель питания от повреждения перенапряжением в нештатных ситуациях. Когда ток течет через гаситель скачка напряжения в течение определенного периода времени, или контур управления электронного силового переключателя выходит из строя, вводя переключатель в нерабочее состояние, цепь обнаружения состояния будет обнаруживать это состояние и немедленно выдавать сигнал, чтобы сработала цепь управления, тем самым гарантируя далее, что последовательный мост электронных силовых переключателей работает безопасно. Упомянутый последовательный мост электронных силовых переключателей может состоять из различных электронных переключателей, таких как IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором), IEGT (Injection-Enhanced Gate Transistor - транзистор с обогащенным инжекцией затвором), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor - тиристор с интегральным коммутируемым затвором), GCT (Gate Commutated Thyristor - тиристор с коммутируемым затвором),GTO (Gate Turn-Off Thyristor - тиристор с выключенным затвором) и т.п. Он также может использовать последовательный прямой мост высокого напряжения, описанный в патенте КитаяZL00223733, выданном заявителю настоящего изобретения, каковой мост состоит из емкостной системной платы и нескольких IGBT, подключенных к ней. Поскольку емкостная системная плата не создает линейной индуктивности и проявляет емкостные свойства, она может эффективно гасить скачкообразное напряжение,наведенное индуктивной нагрузкой, и облегчать нагрузку фильтрующего постоянный ток конденсатора на шине посредством эффективного гашения высокочастотных гармоник, тем самым еще более гарантируя надежность применения последовательно подключенных IGBT. Преимущество последовательного моста силовых переключателей заключается в том, что последовательная цепь DRwC выполняет для последовательных силовых переключателей процессы статического распределения напряжения, динамического распределения напряжения, фиксации напряжения и гашения скачкообразного напряжения. Простая конструкция и небольшое количество элементов делают возможным значительно улучшить надежность работы последовательного моста силовых переключателей. Регулятор напряжения в цепи DRwC существенно улучшает точность стабилизации напряжения последовательного моста силовых переключателей, а тем самым проблема применения последовательно подключенных силовых переключателей решается достаточно хорошо. Эта цепь может использоваться в различных электрических устройствах управления, таких как регулирующие частоту, инвертирующие,отсекающие колебания, осуществляющие передачу постоянного тока и реактивную компенсацию. Теперь изобретение будет описано более подробно со ссылками на приложенные чертежи и варианты выполнения. Разумеется, изобретение не ограничено только нижеследующими вариантами выполнения. Фиг. 1 является принципиальной схемой изобретения. Фиг. 2 является электрической схемой настоящего выполнения. Фиг. 3 является электрической схемой регулятора напряжения прерывателя. Фиг. 4 является принципиальной схемой другого последовательного моста IGBT. Фиг. 5 является эквивалентной электрической схемой для фиг. 4. Фиг. 6 является эквивалентной электрической схемой для другой DRwC. Фиг. 7 является упрощенной цепью обнаружения состояния с двумя последовательными IGBT. На фиг. 1-3 последовательный мост силовых переключателей состоит из моста 2 силовых переключателей и моста 3 цепей DRwC динамического-статического распределения и гашения напряжения, которые установлены в корпусе 1. Упомянутый мост 2 силовых переключателей в этом варианте выполнения состоит из нескольких последовательных силовых переключателей IGBT1, IGBT2,IGBTN. Количество мостов цепей DRwC динамического-статического распределения и гашения напряжения соответствует количеству силовых переключателей, положительный и отрицательный выводы каждой цепиDRwC соответственно подключены к положительному и отрицательному выводам соответствующего силового переключателя. Упомянутая цепь DRwC состоит из диода D, конденсатора С и регулятора Rw напряжения, причем диод D включен последовательно с регулятором Rw напряжения прерывателя и конденсатором С, которые включены параллельно, упомянутый регулятор Rw напряжения прерывателя состоит из силового МОП-транзистора М, компаратора В, делящих напряжение резисторов R7 и R8 и поглощающего мощность резистора Rx, см. фиг. 3. При изготовлении цепь DRwC и силовой переключа-2 005457 тель могут быть включены, как описано выше, чтобы сформировать модуль, затем несколько модулей могут быть включены последовательно, чтобы получить последовательный мост силовых переключателей по изобретению. Аналогично, упомянутый модуль может быть образован двумя цепями DRwC и двумя силовыми переключателями, или тремя цепями DRwC и тремя силовыми переключателями и т.д. Преимущество такого подхода заключается в том, что замена одного поврежденного элемента будет достаточно удобной. Чтобы гарантировать, что напряжение заряда на конденсаторе С в цепи DRwC не превышает заданное значение, может быть дополнительно предусмотрена защитная цепь, состоящая из цепи Т обнаружения состояния и нескольких гасителей LY скачка напряжения, подключенных параллельно к каждой цепи DRwC, см. фиг. 2, при этом упомянутая цепь обнаружения состояния состоит из компаратора А, диодов DL и DH и резисторов R3, R4, R5 и R6, анод диода DL и один конец каждого из R5 и R6 подключен к неинвертирующему входному выводу компаратора А, катод диода DL подключен к одному концу R4,другой конец R5 подключен к аноду диода DH и одному концу R3, другой конец R6 подключен к отрицательному выводу последовательного моста силовых переключателей, вывод обнаружения высокого уровня упомянутой цепи обнаружения состояния подключен к положительному выводу первой цепиDRwC, а вывод обнаружения низкого уровня упомянутой цепи обнаружения состояния подключен к отрицательному выводу последней цепи DRwC. Когда напряжение заряда на конденсаторе С превышает заданное значение, гаситель LY скачка напряжения, подключенный параллельно к каждой цепи DRwC (а также к каждому IGBT), будет разряжать это перенапряжение за чрезвычайно короткое время, тем самым защищая этот силовой переключатель от повреждения перенапряжением в нештатных ситуациях. Когда ток течет через гаситель LY скачка напряжения в течение определенного периода времени или контур управления электронного силового переключателя выходит из строя, вводя переключатель в нерабочее состояние, цепь обнаружения состояния будет обнаруживать это состояние и немедленно выдавать сигнал, чтобы сработала цепь управления, тем самым гарантируя далее, что последовательный мост электронных силовых переключателей работает безопасно. Вместо IGBT упомянутый мост силовых переключателей может также содержать различные электронные переключатели, такие как IGBT, IEGT, IGCT, GCT, GTO и т.п. Он также может использовать последовательный подключенный напрямую высоковольтный мост, описанный в патенте КитаяZL00223733, выданном заявителю настоящего изобретения, каковой мост состоит из емкостной системной платы 5 и нескольких IGBT, подключенных к ней, см. фиг. 4. Фиг. 5 является эквивалентной цепью фиг. 4. Поскольку емкостная системная плата не создает линейной индуктивности и проявляет емкостные свойства, она может эффективно гасить скачкообразное напряжение, наведенное индуктивной нагрузкой, и облегчать нагрузку фильтрующего постоянный ток конденсатора на шине посредством эффективного гашения высокочастотных гармоник, тем самым еще более гарантируя надежность применения последовательно подключенных IGBT. Фиг. 6 показывает эквивалентную схему для DRwC, включенных другим образом. Конец конденсатора С подключен к концу регулятора Rw напряжения, чтобы сформировать положительный вход, другой конец конденсатора С подключен к концу регулятора Rw напряжения и аноду диода D, катод диодаD является отрицательным выводом. Фиг. 7 показывает конкретный пример упрощенной цепи обнаружения состояния, в которой последовательный мост состоит из двух IGBT. Эта цепь является упрощенным вариантом цепи обнаружения состояния, показанной на фиг. 3, в ней отсутствует R3, полярность диода DL инвертирована, а принцип работы аналогичен принципу работы цепи по фиг. 3. То есть, когда управляющий сигнал V1 положителен, а напряжение на выводах двух последовательных цепей DRwC находится на высоком уровне, вывод 3 компаратора будет выдавать сигнал защиты; когда же управляющий сигнал V1 отрицателен, а напряжение на выводах двух последовательных цепей DRwC находится на низком уровне, вывод 3 компаратора будет выдавать сигнал низкого уровня. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Последовательный мост силовых переключателей, способный автоматически распределять напряжение, отличающийся тем, что он состоит из моста силовых переключателей и моста цепей DRwC динамического-статического распределения и гашения напряжения, при этом мост силовых переключателей содержит множество последовательных силовых переключателей, упомянутый мост цепей динамического-статического распределения и гашения напряжения содержит множество последовательных цепей динамического-статического распределения и гашения напряжения, число которых соответствует числу силовых переключателей, положительный и отрицательный выводы каждой цепи динамическогостатического распределения и гашения напряжения соответственно подключены к положительному и отрицательному выводам соответствующего силового переключателя, упомянутая цепь динамическогостатического распределения и гашения напряжения содержит диод D, конденсатор С и регулятор Rw напряжения, причем диод D включен последовательно с регулятором Rw напряжения прерывателя и конденсатором С, которые включены параллельно, упомянутый регулятор Rw напряжения прерывателя-3 005457 состоит из силового МОП-транзистора М, компаратора В, делящих напряжение резисторов R7 и R8 и потребляющего энергию резистора Rx, причем один конец потребляющего энергию резистора Rx подключен к стоку силового МОП-транзистора М, другой конец потребляющего энергию резистора Rx подключен к отрицательному выводу силового переключателя, средняя точка между последовательными резисторами R7 и R8 подключена к неинвертирующему входному выводу компаратора В, выходной вывод компаратора В подключен к затвору силового МОП-транзистора М, исток силового МОПтранзистора М подключен к положительному выводу силового переключателя и другому концу резистора R7. 2. Последовательный мост силовых переключателей по п.1, отличающийся тем, что он содержит защитную цепь, которая включает в себя цепь Т обнаружения состояния и множество гасителей LY скачка напряжения, подключенных параллельно к каждой цепи динамического-статического распределения и гашения напряжения, причем упомянутая цепь обнаружения состояния включает в себя компаратор А, диоды DL и DH и резисторы R3, R4, R5 и R6, анод диода DL и один конец каждого из R5 и R6 подключен к неинвертирующему входному выводу компаратора А, катод диода DL подключен к одному концу R4, другой конец R5 подключен к аноду диода DH и одному концу R3, другой конец R6 подключен к отрицательному выводу последовательного моста силовых переключателей, вывод обнаружения высокого уровня упомянутой цепи обнаружения состояния подключен к положительному выводу первой цепи динамического-статического распределения и гашения напряжения, а вывод обнаружения низкого уровня упомянутой цепи обнаружения состояния подключен к отрицательному выводу последней цепи динамического-статического распределения и гашения напряжения. 3. Последовательный мост силовых переключателей по п.1, отличающийся тем, что он содержит емкостную системную плату и множество электронных силовых переключателей, подключенных к системной плате. 4. Последовательный мост силовых переключателей по п.3, отличающийся тем, что он выбирается из группы, содержащей биполярный транзистор с изолированным затвором, большой транзистор, тиристор с интегральным коммутируемым затвором, тиристор с коммутируемым затвором, тиристор с выключенным затвором.