用於控制直流負載的dc/dc橋的製作方法

2023-06-03 04:01:11

專利名稱：用於控制直流負載的dc/dc橋的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於控制直流負載的DC/DC橋，所述橋具有配備了可控半導體開關的功率級，並包括兩個橋部分，其中一個橋部分傳導直流電，而另一個橋部分由PWM控制以調整電流幅度。
升降機用電動機驅動器可以是交流或直流電動機驅動器。可以例如經由PWM(脈寬調製)來控制該驅動器。現在，交流電動機驅動器相當普遍，主要因為交流電動機的簡單構造。然而，直流電動機驅動器仍舊在使用。用交流電動機驅動器替換直流電動機驅動器並不總是合適的，因為例如無傳動裝置的直流電動機驅動器和其中使用的直流電動機是耐用的，因此不必用交流電動機驅動器來替換它們。此外，替換電動機要承擔相對高的成本。
由於趨勢是朝向交流電動機驅動器，也很難合理地去專門開發在直流驅動器控制中使用的大功率電子系統。另外，交流驅動器中使用的諸如IGBT的半導體組件不斷變得日益有效和經濟。而且，可以預期，關於網絡諧波的專門新調整可以改變今後的情形，使得直流驅動器中使用的傳統半導體開關元件橋的使用將變得更困難。
本發明的目的就是克服現有技術的缺點，並獲取用於諸如直流電動機的直流負載的新類型的受PWM控制的DC/DC橋。本發明的方案基於大功率電子設備布局(topology)的新原理，其中有可能在直流電動機的控制中利用交流驅動器技術。在本發明的方案中，受PWM控制的橋部分包括兩個橋臂，且在這些橋臂中的半導體開關交替地進入傳導狀態。
所附權利要求中詳細限定了本發明的方案。
通過使用本發明的技術，有可能例如為升降機應用製造現代化的且經濟的PWM控制的直流電動機驅動器。通過實施本發明，可以在直流驅動器中利用大功率電子技術和在大產品系列中製造的交流驅動器的組件。功率級電路的導電軌和其它結構可以等同於交流驅動器中使用的那些組件。另外，即使在直流應用中也可以使諸如IGBT的半導體開關的使用最優化。並且，特別地，在開發中達到了節約成本，且在交流和直流驅動器二者中都可以使用相同的生產方法。
下面，將參考例子和附圖詳細描述本發明，其中

圖1示出了現有技術的直流電橋；圖2示出了交流驅動器中的網絡橋；圖3示出了根據本發明的直流驅動器，包括根據本發明的DC/DC橋；圖4示出了用於本發明的DC/DC橋的時序圖；以及圖5圖解了在本發明的DC/DC橋中的半導體開關的布置圖和冷卻。
圖1示出了用於例如升降機應用的直流電動機驅動器的現有技術PWM控制的H橋H1。該H橋H1包括連接到直流電源UDC的兩個橋臂H11和H12，每個臂包含用於正極和負極的可控半導體開關S11-S14，所述可控半導體開關由例如IGBT電晶體和二極體的反相併聯組成。該橋給諸如升降機的直流電動機的直流負載L1供電。
圖2對應地示出了現有技術的三相電交流驅動器中用於將網絡的交流電壓UAC整流為直流電壓UDC的網絡橋A1，且在網絡橋A1之前連接了交流電感單元P1。該橋在上面的和下面的臂上具有可控半導體開關S21-S26，這些半導體開關連接到每個網絡相位，並且還可以由例如IGBT電晶體和二極體的反相併聯組成。
原理上，本發明的電動機驅動器與現有技術包括網絡轉換器(整流器橋)、電動機橋和電感器的三相交流驅動器相似。本發明特別涉及給電動機供電的DC/DC橋。網絡橋和電感器可以是例如在圖2中所示出的。根據本發明，在整流橋和電動機橋二者中可以使用相同類型的可控半導體開關。
圖3示出根據本發明的DC/DC橋B1，其用於給直流電動機M1供電，直流電ldc流入到該電動機。由控制單元BC1控制該橋。使用分立的磁化單元MA1來完成電動機的磁化，而這是以完全公知的方式控制的。
在圖3中示出的DC/DC橋包括兩個橋部分B11、B12。在根據圖3的橋中的第一橋部分包括兩個臂B111和B112，每個臂包含可控半導體開關單元S21-S24。該橋臂經由連接器CONN1在功率級電路板上彼此連接。第二橋部分B12包括具有可控半導體開關單元S25-S26的單個臂。這樣，該橋總體上有三個臂，對應於三相DC/AC橋。對每一個半導體開關，在控制單元BC1中提供控制器BC21-BC26。
對本發明的DC/DC橋的調製如下進行本發明的PWM控制的直流驅動器可以使用與在交流驅動器中使用的相同種類的用於PWM控制的半導體開關S21-S26。可以由例如控制單元中的開關SW1來選擇直流驅動器。代替交流電，使用零頻率(非旋轉場)。在本發明的直流驅動器中，並非所有的半導體開關都必須切換高頻率(通常幾kHz的頻率)的PWM控制信號；兩個開關S25和S26可以用於選擇轉矩方向(上/下)，且所談論(in question)的開關傳導單純的DC電流。以幾kHz的頻率接通/關斷用於PWM控制的開關S21-S26，以控制電流lcd的幅度(轉矩).
最大的功率損耗發生在用於PWM控制的開關S21-S26。在本發明的控制方法中，用於PWM控制的開關在不同的臂交替地進入傳導，所以所談論的開關僅以正常傳導時間的50％或更少運轉。在圖4的時序圖中可看出這一效應，圖4表示開關S21、S23和S26的傳導時間以及二極體S22和S24的傳導時間。
從熱的觀點看，本發明具有在直流驅動器中可以充分利用交流驅動器的功率級的優點。電路中使用的IGBT中的熱損耗通常是在PWM控制中沒有使用的開關的熱損耗的兩倍。因此，根據本發明，開關S21和S23僅以循環方式在至多50％的時間內保持傳導。傳導時期根據所需電壓(電流)而變化。
與現有技術的H橋相比，該電路還具有將生成幹擾噪聲的直流電1dc的波動減少到原始水平的大約一半的優點。可以通過減少PWM開關S21-S24的切換頻率來利用這個優點，這將減少在開關中的熱損耗，並增加橋的負載容量。
在實踐中，因為直流電損失稍大於PWM切換的損失，所以直流開關可能具有更高的損耗。因此，將開關S25和S26放在冷卻段COOL1(圖5)的進氣口側(箭頭)，因為進氣口側比該段的中間部分或者出氣口側涼，如溫度曲線TEMP所示。
對本領域的技術人員顯而易見的是，本發明的不同實施例不限於上述示例，而是它們可以在所附權利要求的範圍內變化。除IGBT之外，所使用的開關也可以由其它完全門控部件組成。除直流電動機之外，負載也可以包括例如升降機的制動磁體。
本發明的裝置可以在寬範圍的電驅動器中使用。通過應用本發明的原理，可以通過使用最新的IGBT技術覆蓋直流升降機驅動器的功率範圍。可以在相同的生產線上組裝交流和直流驅動器模塊，且可以主要經由軟體控制來選擇該應用。
權利要求
1.一種用於控制直流負載(M1)的DC/DC橋，所述橋具有可控半導體開關單元(S21-S26)，並具有兩個橋部分(B11、B12)，其中一個橋部分(B12)傳導直流電，而另一個橋部分經由脈寬調製(PWM)控制以調整電流幅度，其特徵在於-所述DC/DC橋(B1)包括三個橋臂，-兩個橋臂(B111、B112)並聯，並且-經由PWM控制並聯橋臂中的半導體開關，以形成PWM控制的橋部分。
2.根據權利要求1的控制單元，其特徵在於，同時接通PWM橋臂中的半導體開關(S21、S23)。
3.根據權利要求1的控制單元，其特徵在於，交替接通在PWM橋臂中的半導體開關(S21、S23)。
4.根據權利要求3的控制單元，其特徵在於，控制用於PWM控制的半導體開關，使得所述半導體開關基本上在橋部分(B11)的傳導時間的至多50％內傳導。
5.根據權利要求1的控制單元，其中半導體開關安裝為向其供應諸如空氣的冷卻介質的冷卻基底(COOL1)上的橋臂塊，其特徵在於，傳導直流電的橋部分的半導體開關單元(S25、S26)被安置在介質入口側。
6.根據權利要求5的控制單元，其特徵在於，以彼此不同的距離放置所述塊，以使冷卻最優化。
7.根據權利要求1的控制單元，其特徵在於，所述直流負載是直流電動機。
8.根據權利要求1的控制單元，其特徵在於，所述直流負載是升降機的制動磁體。
9.根據權利要求1的控制單元，其特徵在於，所述橋臂在功率級電路板上或至少在與功率級電路板接近的點上彼此連接。
10.根據權利要求1的控制單元，其特徵在於，同一個橋可以在直流驅動器和交流驅動器中都起作用，且所述控制單元具有用於選擇直流/交流驅動器的開關(SW1)。
全文摘要
一種用於控制直流負載(M1)的DC/DC橋，所述橋具有可控半導體開關單元(S21－S26)，並具有兩個橋部分(B11、B12)，其中一個橋部分(B12)傳導直流電，而另一個橋部分經由脈寬調製(PWM)控制以調整電流幅度，其中所述DC/DC橋(B1)包括三個橋臂，兩個橋臂(B111、B112)並聯，並且並聯橋臂中的半導體開關經由PWM控制，以形成PWM控制的橋部分。
文檔編號H02P7/00GK1748354SQ200480003704
公開日2006年3月15日 申請日期2004年1月29日 優先權日2003年2月7日
發明者佩卡·傑科南, 埃薩·帕特基南 申請人:通力股份公司