串聯n個源極輸出器的三相n線制開關線性複合功率變換裝置的製作方法

2023-06-28 19:00:56

專利名稱：串聯n個源極輸出器的三相n線制開關線性複合功率變換裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力電子技術領域，具體涉及一種串聯N個源極輸出器的三相N線制開關線性複合功率變換裝置。
背景技術：
本發明是在先行發明專利「跟蹤式電力有源濾波器」(專利號00112420.X)的基礎上提出的，先行發明已在單相系統中較好地實現了期望目標，但由於與開關單元複合時，需成倍增加功率器件，成本有所增加，構成三相系統的「性價比」難於為企業接受，從而限制了這一原創專利成果的發展空間。

發明內容
本發明的目的就是要克服現有技術存在的問題，提供一種串聯N個源極輸出器的三相N線制開關線性複合功率變換裝置。
本發明所提供的串聯N個源極輸出器的三相N線制開關線性複合功率變換裝置，其特徵在於由三相開關濾波單元2(可以是逆變器)向三相線性單元3供電，單元2的前級單元1可以為AC/DC整流器，當開關濾波單元2中含交流斬波器時，單元1被省略；在三相三線制系統中，僅用三個功率器件構成線性單元3，其中每相中的一個功率器件與另一相中的一個功率器件構成「源極或射極輸出器對管」，採用線電壓紋波供電方式；在三相四線制系統中，用四個功率器件構成線性單元3，其中一個器件是三相共用的，反串在Y接型負載的中性點和中線之間，採用相電壓紋波供電方式。當單元2輸出的三相紋波供電電壓和負載上電壓都按比例跟蹤單元4輸出的同一個三相參考信號時，就在三相負載7上得到與該信號同頻、同相、同形狀，幅值成比例的功率級電壓。其比例關係由電壓放大單元5和取樣單元6決定。由於開關濾波單元2輸出的紋波供電瞬時電壓Vs包絡於負載電壓VL，且僅比負載上的瞬時電壓VL高几伏，相當於功率器件的管飽和壓降數量級。因此它在實現高效功率傳遞的同時，保持了源極或射極輸出器型線性功率放大器優良的靜、動態性能；而裝置的體積、重量均接近同容量開關變換器。
該變換裝置，當N為三時，即為串聯三個源極輸出器的三相三線制開關線性複合功率變換裝置；當N為四時，即為串聯四個源極輸出器的三相四線制開關線性複合功率變換裝置。為了保持「源極或射極輸出器」型線性功率放大器保真傳遞功率信號，兼有負載階躍擾動時的優良動態性能，適應阻、感、容等線性負載和某類晶閘管等非線性負載的優點；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，在高效傳遞功率的前提下，取同容量開關放大器相近的重量和體積，而獲取優於開關放大器的靜、動態性能，用於高性能功率變換領域。
本發明延續了先行發明專利(專利號00112420.X)的基本思路，充分利用MOSFET功率場效應管的溝道雙嚮導電機理，在構成三相三線制開關線性複合功率變換裝置時，僅用三個功率器件構成線性單元，由每相中的一個功率器件與另一相中的一個功率器件構成「源極或射極輸出器對管」，採用三相開關濾波單元線電壓紋波供電方式；在構成三相四線制開關線性複合功率變換裝置時，用四個功率器件構成線性單元，其中一個器件是三相共用的，採用三相開關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管」構成一相基本線性單元後，再由三個基本線性單元組成三相開關線性複合功率變換裝置節省了大量功率器件，從而降低此類三相系統的製造成本；為廉價實現高性能三相開關線性複合功率變換裝置提供了控制與電路結構最簡便的技術方案；進而為要求輸出電壓THD％值低、適應多類負載和抗負載擾動及參數變化能力強的、高性能抑制諧波型的三相調壓器、電機起動器、變頻電源、超低頻電機調速變頻器和其它特種電源的問世或更新換代提供了母本。


圖1是本發明裝置的電路特徵結構原理框圖；其中，實線部分為三相三制系統，實線部分加虛線部分為三相四線制系統。
圖2與圖1相對應，用波形說明線性傳遞功率時能取得高效率。
圖3是本發明用於三相三線制系統時，「串聯三個源極輸出器的開關線性複合功率變換裝置」的一種組合電路；圖4是其組合細節。
圖5、圖6是反映圖4中器件處於特殊工作狀態時，負載電壓跟蹤門極電壓的實測波形。
圖7是本發明用於三相四線制系統時，「串聯四個源極輸出器的開關線性複合功率變換裝置」的一種組合電路；圖8是其組合細節。
圖9是圖8各點的實測特徵波形。
圖10是本發明根據圖3、圖4的一種實施例；圖11、圖12是說明該實施例優良性能的實測波形。
圖13是本發明根據圖7、圖8的一種實施例。
圖14是本發明根據圖3、圖4的又一種實施例。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發明作進一步描述。
圖1中，單元2的前級單元1可以為AC/DC整流器。當開關濾波單元2為交流斬波器時，單元1被省略。三相開關濾波單元2向三相線性單元3供電。單元3向負載供電。
圖1實線部分表示三相三線制的情況其中，線性單元3僅用三個功率器件構成單元3-1中的三相，其中每相中的一個功率器件與另一相中的一個功率器件構成「源極或射極輸出器對管」；採用線電壓紋波供電方式。當單元2輸出的三相紋波供電電壓和負載上電壓都按比例跟蹤單元4中同一個三相參考信號時，就在Y聯接或Δ聯接的三相負載單元7上得到與該三相信號同頻、同相、同形狀，幅值成比例的功率級電壓。其比例關係由電壓放大單元5和取樣單元6決定。其中，單元6輸出的小信號作用於開關濾波單元2內部的控制器，施控於單元2中各開關功率器件的門極；而電壓放大單元5輸出的三相電壓信號接於線性單元3中三個「源極或射極輸出器」線性功率器件的門極g1、g2、g3。
圖1實線加虛線部分表示三相四線制的情況其中，線性單元3由三個功率器件構成單元3-1中的三相；一個器件構成單元3-2，為三相共用，反串在Y接型負載的中性點和中線之間；採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。
圖2中，開關濾波單元2輸出的紋波供電瞬時電壓VS包絡於負載電壓VL，且僅比負載上的瞬時電壓VL高几伏(相當於功率器件的管飽和壓降數量級)。線性單元3處於開關濾波單元2和負載單元7之間，供電電壓紋波恰降落於單元3中的功率器件兩端。器件工作於源極或射極輸出器，即電壓跟隨器的線性狀態，功率損耗卻只有低管壓降與管中電流的乘積。因此在實現高效功率傳遞的同時，保持了源極或射極輸出器型線性功率放大器優良的靜、動態性能。
隨著壓控型功率器件製造工藝的不斷進步，新器件的通態電阻值可越做越小，使管子的通態電壓更小，開通閾值更低；從而存在進一步提高效率的潛力。再則，複合了線性單元的前級開關濾波單元，可選小於常規的LC參數濾波。開關濾波單元的效率也適當提高，兩級複合後的總效率可不低於同容量的純開關濾波裝置，總效率在市電級電壓供電狀態可達95％左右。
圖3是本發明用於三相三線制系統時「串聯三個源極輸出器的開關線性複合功率變換裝置」的一種組合電路；圖4是單元3與7的組合細節。其中，單元3，即圖1中的3-1，由三個MOSFET功率管T1、T2、T3構成三相源極輸出器，即源極跟隨器，工作於跟隨門極g1、g2、g3電壓，即電壓放大單元5輸出的線電壓信號的線性狀態。
對應參考信號，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T1、a相負載、b相負載後，可以有兩條路徑返回b相紋波電源。一條是經T2管內部襯底的寄生反並聯二極體DT2；另一條是經T2管內部的導電溝道反流。此時源極與漏極功能對調。當電壓放大單元5輸出的線電壓信號Vab的幅值加於a、b相的線性功率管的門極g1、g2，被調整得過於接近紋波電源線電壓Vab的幅值時，由於MOSFET器件製造工藝上將襯底與一端內部連接，使溝道雙嚮導電的情況不完全對稱，T2管會比T1管的工作狀態先進入可變電阻區邊界，管上壓降接近反並聯二極體DT2的鉗位電壓，此時線電流主要經DT2襯底路徑返回電源。當電壓放大單元5輸出的線電壓信號Vab的幅值保持低於紋波電源線電壓Vab的幅值2伏左右時，線電流同時經源漏極功能對調的T2管內部的導電溝道和襯底的寄生反並聯二極體DT2兩條路徑返回電源，但DT2上電壓高於二極體鉗位電壓。這時，源、漏、門極間電壓差值很小，MOSFET場效應管內部襯底的阻值不能忽略，寄生反並聯二極體應更精確地等效為一個三極體，起分流作用。
對應參考信號，即紋波電源線電壓Vab的負半周，線電流從b相紋波電源流經T2、b相負載、a相負載後，可以有兩條路徑返回a相紋波電源。一條是經T1管內部襯底的寄生反並聯二極體DT1；一條是經T1管內部的導電溝道反流。此時源極與漏極功能對調。當電壓放大單元5輸出的線電壓信號Vab的幅值，加於a、b相的線性功率器件的門極g1、g2，被調整得過於接近紋波電源線電壓Vab的幅值時，由於MOSFET器件製造工藝上將襯底與一端內部連接，使溝道雙嚮導電的情況不完全對稱，T1管會比T2管的工作狀態先進入可變電阻區邊界，管上壓降接近反並聯二極體DT1的鉗位電壓，此時線電流主要經DT1襯底路徑返回電源。當電壓放大單元5輸出的線電壓信號Vab的幅值保持低於紋波電源線電壓Vab的幅值2伏左右時，線電流同時經源漏極功能對調的T1管內部的導電溝道和襯底的寄生反並聯二極體DT1兩條路徑返回電源，但DT1上電壓高於二極體鉗位電壓。這時，源、漏、門極間電壓差值很小，MOSFET場效應管內部襯底的阻值不能忽略，寄生反並聯二極體應更精確地等效為一個三極體，起分流作用。
僅當線電流主要選擇MOSFET源漏極功能對調的導電溝道返回電源時，才能在線電壓負載上得到跟蹤g1、g2兩端門極線電壓Vab正負半周的完整波形。這也正是本發明應設置的狀態。當MOSFET襯底反並聯二極體成為線電流返回電源的主要路徑時，其鉗位作用凸顯，只能在線電壓負載上得到跟蹤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；電源紋波將出現在負載上電壓波形的另半周。這正是本發明應避免設置的狀態。
對應參考信號，即紋波電源線電壓Vbc、Vca正負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的實測負載電壓波形。其中圖5反映調整正確的狀態；圖6反映調整時需避免的狀態。
圖7是本發明用於三相四線制系統時「串聯四個源極輸出器的開關線性複合功率變換裝置」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的組合細節。其中，單元3-1由三個MOSFET功率管T1、T2、T3構成三相正向源極輸出器，單元3-2為一個三相共用的負向源極輸出器線性功率管T4，反串在Y接型負載的中性點和中線之間，採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。三相源極輸出器，即源極跟隨器，工作於跟隨門極電壓的線性狀態；單元7由三相Y型連接的負載組成。其工作原理與圖3、圖4中的情況類似。不同之處在於T4管的每個瞬時均通過雙向電流，分別流經MOSFET管的溝道和襯底；且三相電流總和為零，酷似一段導線；然而，其本質並非導線，每相負載上得到跟蹤該相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律也有別於圖3、圖4電路中的正向源極輸出器。
圖9是實測三相四線制系統中，串聯四個源極輸出器功率管T1、T2、T3、T4時，各管的特殊波形和三相正常工作的各點跟蹤電壓波形，以及一相負載電流波形。它更充分地證實了MOSFET功率器件溝道和襯底同時導電的特殊功能。
圖10是本發明根據圖3、圖4的一種實施例，用於三相三線制系統。當開關濾波單元2中含交流斬波器時，單元1被省略；其單元4輸出的三相參考信號應從三相電源取樣，與之同步；與負載串聯的開關管斷態時濾波儲能的續流通路由π形LC網絡提供，通過合理配置參數，創造準零開關條件。這使單元2的效率高於常規交流斬波器濾波單元；從而複合出最少功率器件的高性能「三相開關線性複合功率變換調壓裝置」。
圖11、圖12是說明圖10實施例優良性能的實測波形。其中圖11說明，在負載由100Ω突變至50Ω時，電流階躍變化衝擊下，開關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門極信號的完全跟蹤；體現了本發明裝置的負載魯棒性很強。圖12說明，在對整流濾波非線性負載供電時，開關濾波單元的供電波形已被迫畸變，出現平頂，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門極信號的完全跟蹤；體現了本發明裝置的負載適應性很強。
圖13是本發明根據圖7、圖8的一種實施例，用於三相四線制系統。當開關濾波單元2中含交流斬波器時，單元1被省略。其單元4輸出的三相參考信號應從三相電源取樣，與之同步。中線與單元2、單元3的中性點連接。工作原理與圖3、圖4中對應單元一致；僅比三相三線制系統多一個功率器件。
圖14為本發明根據圖3、圖4的另類實施例。單元2為逆變濾波器。當信號單元4輸出三相幅頻可調信號時，在負載上得到三相幅頻可調電壓，用於高性能變頻電源或電機調速，能在0.1Hz左右超低頻運行時獲得優於同等控制決策條件下的其它變頻器系統的性能，含轉矩、轉速脈動，THD，抗負載參數變化魯棒性等。
權利要求
1.一種串聯N個源極輸出器的三相N線制開關線性複合功率變換裝置，其特徵是由三相開關濾波單元(2)向三相線性單元(3)供電，單元(2)的前級單元(1)為AC/DC整流器，當開關濾波單元(2)中含交流斬波器時，單元(1)被省略；在三相三線制系統中，僅用三個功率器件構成線性單元(3)，其中每相中的一個功率器件與另一相中的一個功率器件構成「源極或射極輸出器對管」，採用線電壓紋波供電方式；在三相四線制系統中，用四個功率器件構成線性單元(3)，其中一個器件是三相共用的，反串在Y接型負載的中性點和中線之間，採用相電壓紋波供電方式，當單元(2)輸出的三相紋波供電電壓和負載上電壓都按比例跟蹤單元(4)輸出的同一個三相參考信號時，就在三相負載(7)上得到與該信號同頻、同相、同形狀，幅值成比例的功率級電壓，其比例關係由電壓放大單元(5)和取樣單元(6)決定。
2.根據權利要求1所述的變換裝置，其特徵在於單元(6)輸出的小信號作用於開關濾波單元(2)內部的控制器，施控於單元(2)中各開關功率器件的門極；電壓放大單元(5)輸出的三相電壓信號接於線性單元(3)中「源極或射極輸出器」線性功率器件的門極。
3.根據權利要求1所述的變換裝置，其特徵在於串聯四個源極輸出器的三相四線制開關線性複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MOSFET或類似的壓控器件構成正向源極或射極輸出器；子單元(3-2)就是一個三相共用的線性MOSFET或類似的壓控器件—負向「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，分別接於線性單元(3)中四個「源極或射極輸出器」線性功率器件的門極g1、g2、g3、g4。
4.根據權利要求1所述的變換裝置，其特徵在於任意一種三相開關濾波電路構成單元(2)後，與「權利要求1或2或3」中所述的特徵電路組合派生的系統。
全文摘要
本發明公開了一種串聯N個源極輸出器的三相N線制開關線性複合功率變換裝置。該裝置用線性單元與紋波供電的開關濾波單元複合後，用較少的功率器件、簡單的控制與電路結構實現了「源極或射極輸出器」型線性功率放大器保真傳遞功率信號，兼有負載階躍擾動時的優良動態性能，適應阻、感、容等線性負載和某類晶閘管等非線性負載的優點；又同時擯棄了線性功率放大器效率偏低，重量和體積偏大的缺點，從而獲取優於開關放大器的靜、動態性能。本發明為高性能抑制諧波型的三相調壓器、電機起動器、變頻電源、超低頻電機調速變頻器和其它特種電源的問世或更新換代提供了母本。
文檔編號H02M1/12GK1913313SQ200610088110
公開日2007年2月14日 申請日期2006年6月24日 優先權日2006年6月24日
發明者周謙之, 吳斌, 胡文華 申請人:安徽工業大學