用於抵抗過電流的保護速度控制器的裝置的製作方法

2024-03-08 00:47:15 1

專利名稱：用於抵抗過電流的保護速度控制器的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種速度控制器，該控制器安裝了一個用於保護的裝置，以 抵抗供電網絡中由於過電壓或欠電壓而產生的過電流。
背景技術：
在已知的方式中，速度控制器連接到供電網絡中，來控制電氣負載。它 包含一個作為輸入的電壓整流模塊，用於將電網絡提供的交流電壓轉換為直 流電壓，並對下遊提供帶有正、負極線路的電源總線。 一個濾波電容器，通 常被稱為總線電容器，安裝在電源總線的正極端和負極端之間。作為輸出，
控制器包括一個由電源總線供電的逆變模塊，使用電子開關(如由脈寬調 制(PMW)方式來控制的IGBT電晶體開關)將直流電壓轉換為幅度和頻率 可變的交流電壓。
供電網絡可能會受到不同類型的幹擾，如過電壓或欠電壓。這種幹擾可 能是幅度高、持續時間短的低能量幹擾，或者是幅度〗氐、持續時間長的高能 量的幹擾。如果是高能量的幹擾，控制器的一些元器件，如整流模塊中的二 極管、總線電容器或者逆變模塊中的電晶體可能會淨皮損壞。

發明內容
因此本發明的目的在於提供 一 種能夠吸收電源網絡中產生的幹擾而免
遭損壞的速度控制器。
此目的通過一速度控制器而達到，所述速度控制器包括
-作為輸入的整流模塊，其將供電網絡上可得的交流電壓轉換成電源總
線上直流電壓；
-連接在電源總線的正極線路和負極線路之間的總線電容器；和 -由電源總線供電的逆變模塊，可受控傳送交流電壓到電氣負載； 其特徵在於
-控制器包括一個保護裝置，其用於對控制器進行保護以抵抗供電網絡
4電壓變化而引起的過電流；
並且其特徵在於該保護裝置包括
-第一電子開關，其位於電源總線上、串聯在整流才莫塊和總線電容器之
間；
-第一電阻器，與第一電子開關以並聯方式配置；
-組合部件，包括串聯配置的第二電子開關和第二電阻器，該組合部件
與第一電子開關及第一電阻器並聯配置；
-控制裝置，用於控制第一電子開關和第二電子開關。 根據詳細的特徵，該保護裝置配置在電源總線的正極線路上。 第一電子開關優選地是常導通JFET電晶體，由高帶隙能量材料如碳化
矽製成。
根據詳細的特徵，用於控制JFET電晶體的控制裝置連接在電源總線的 正極線路和負極線路之間。這些控制裝置例如包括可向JFET電晶體施加控 制電壓的電荷泵電路。
第二電子開關優選地是常關斷類型，控制第二電子開關的控制裝置包括 可向第二電子開關施加控制電壓的電荷泵電路。
根據本發明，控制裝置包括存儲器裝置，用於存儲一個門限值，當在 JFET電晶體端子處測得的電壓超過該門限值時，JFET電晶體^皮控制裝置 關斷。存儲器裝置同時保存一個預定的時間段，在預定的時間段的末端，如 果JFET電晶體端子處測得的電壓超過所述門限值，第二個電子開關被導通。 存儲器裝置可以保存一個門限值，當在電源總線的正極線路和負極線路之間 測得的電壓超過該門限值時，第二電子開關被導通。
優選地，控制器還包括用於保護整流模塊以抵抗過電壓的裝置。這個用 於保護整流模塊抵抗過電壓的裝置包括例如常導通的JFET限制電晶體和齊 納二極體，這兩個器件並聯連接在電源總線的正極線路和負極線路之間。在 另 一個形式中，保護整流模塊抵抗過電壓的裝置包括連接在電源總線正極線 路和負極線路之間的GMOV可變電阻器。


參照以示例的方式給出的和由附圖所描繪的實施方式，其他的特性和優 點將在下面進行詳細的描述，附圖中的圖1以一種筒化的方式展示了本發的配置了保護裝置的速度控制器。
具體實施例方式
參照附圖1,速度控制器1包括為電源總線4€供直流電壓Vdc(例如200 至800Vcc甚至更高，根據使用情況而定)的直流電壓源，電源總線由正極 線路10和負極線路11構成。總線電容器Cb通常用來維持電源總線上恆定 的直流電壓Vdc。這個總線電容器Cb連接在電源總線的正極端和負極端之 間，且通常是電解電容器。
圖1中，控制器1包括作為輸入的整流模塊12，用於整流來自於外部的 供電網絡A(如三相380Vac電源網絡)的三相交流電壓。有利的是，整流 模塊12使用比晶閘管更便宜、更可靠的二極體120
速度控制器1還包括作為輸出的逆變模塊13,由電源總線供電，能夠 使用可為可變幅度和頻率的交流電壓控制電氣負載2。為實現此目的，逆變 模塊13採用脈寬調製(PWM)方式控制配置在每相上的電子功率開關130。 這些開關是功率電晶體，如IGBT功率電晶體，它們由控制模塊(未在圖中 示出)控制。在圖1中，逆變模塊13包括三個分支，用於給電氣負載2傳 輸三相交流電壓，每個分支在電源總線的正極端和負極端之間串聯配置了 2 個功率電晶體，共計6個功率電晶體。
本發明是將保護裝置14放入控制器中，以保護控制器抵抗由供電網絡 A中電壓變化而引起的過電流。
這些過電流可產生於兩種不同的現象中
-在過電壓的時侯，總線電容器Cb產生的強電流浪湧，它可以損壞整 流模塊12中的二極體整流橋，以及電源總線上的高的過電壓，可以損壞逆 變模塊13和總線電容器Cb;
-當發生欠電壓後並返回正常電壓時，總線電容器Cb也可產生強電流 浪湧，其可能會損壞整流模塊12中的二極體整流橋。
因此有必要限制整流模塊12中的電流浪湧，從而在網絡A中出現過電 壓期間或發生欠電壓後進行防護。
為實現該目的，本發明的裝置14特別地包括第一電子開關，例如一個 常關斷或常導通的JFET、 MOSFET或者IGBT電子開關。
第 一 電子開關優選地由高帶隙能量的材料(也被稱作寬帶隙材料)製成，即在導通狀態下呈現低電阻Rds。n,並且可以經受高電壓(高於1000V),例 如炭化矽或者是氮化鎵(GaN )。
第一電子開關優選是JFET類型。JFET電晶體是^^知的電子功率開關， 它包括一個控制柵極(G),用於允許或禁止電流從漏極(D)和源極(S) 之間流過。如果柵極和源極之間的電壓Vgs接近0，這種電晶體被稱為"常 導通，，型。這意味著在沒有控制電壓Vgs下，漏-源溝道導通。相反，如果在 柵極和源極之間沒有控制電壓Vgs下，漏-源溝道不導通，這樣的JFET晶體 管被稱為"常關斷"型。
另外，已經證明常導通的JFET電晶體可提供比其它壓控電子功率開關 更好的性能，如MOSFET， IGBT或甚至是常關斷型的JFET開關。特定地， 這種開關具有下列具體的優點開關速度更快、導通狀態下(導電狀態下 Ros。n為低電阻)產生更少的傳導損耗、更好的溫度特性和擁有更小的尺寸。
因而，本發明的保護裝置14優選地包括常導通JFET電晶體Tl ，由高 帶隙能量材料如炭化矽或氮化鎵製成。電晶體Tl配置在整流模塊12和總線 電容器Cb間的電源總線的正極線路10上。裝置14還包括與電晶體Tl並聯 配置的第一電阻器R1，以及由第二電阻器R2和第二電子開關串聯構成的組 合部件，這個組合部件與電晶體Tl和第一電阻器R1並聯配置。第二電子開 關例如是常關斷的IGBT電晶體T2。
第一電阻器具有幾十歐姆量級的高阻值，如70歐姆(對於一個4kW的 控制器阻值可從100歐姆到IO歐姆)，而第二電阻器具有幾個歐姆量級的低 阻值，如3歐姆(對於4kW的控制器，阻值從5歐姆到0.5歐姆)。
此外，本發明的裝置還包括控制裝置140，用於控制電晶體T1和晶體 管T2。這些控制裝置140特別包括了用於決定電晶體Tl和T2的開關動作 的處理裝置、用於存儲不同門限值的存儲裝置、用於控制電晶體Tl的電源 和用於控制電晶體T2的電源。使用的電源例如是電荷泵電路，其包括在電 路預充電時從電源總線充電的電容器和與電容器並聯的齊納二極體。用來控 制電子電晶體T2的電荷泵電路的源是電晶體Tl的漏極，同時電晶體Tl的 電荷泵電路的源是電晶體Tl的源極。也可以使用單獨的外部電源來控制晶 體管T1和T2，但在這種情況下，控制裝置140不再由電源總線直接供電， 並且電路因此不再獨立。這種情況下，可能要考慮使用常關斷電晶體Tl和 將本發明的裝置14配置在電源總線負極線11上，並位於整流模塊12和總線電容器Cb之間。
控制器1還包括連接在電源總線的正極線路IO和負極線路11之間的去 耦電容器Cd,且位於整流模塊12的下遊，保護模塊14的上遊。這個去耦
根據控制器1是否處於初始階段的預充電、遭受網絡的過電壓或欠電壓 的情況，控制器1的保護裝置14有如下幾種工作方式 -初始階段
電晶體Tl初始是導通狀態，其導通狀態下的電阻(Rds。n)非常小。因 此，電晶體T1引腳處的電壓V同樣也非常低。電晶體T2初始為關斷狀態。
一旦流經T1的電流超過它的限制電流，電晶體T1變成限制狀態。限制 電流足以對電晶體Tl和T2的電荷泵電路的兩個電容器進行充電。 一旦晶體 管T1的電荷泵電路的電容器被充電，控制裝置140施加電壓以控制T1的開 關動作，以通過第一電阻器Rl對總線電容器Cb充電。第一電阻器R1具有 高值，可以使得總線電容器Cb緩慢充電並實現預充電電路的功能。如果總 線電容器端子的電壓Vdc超過了存儲的第一門限值Sl，如250伏，這樣會 控制電晶體T2導通來加速對總線電容器Cb進行充電，與T2串聯的第二電 阻器R2比第一電阻器R1的阻值低。後面的功能在本發明的裝置中是可選 的。在總線電容器Cb具有高電容值情況下才有意義。
當電晶體Tl引腳處測得的電壓V再次為0時，也意味著初始階段結束。 更詳細地，如果電晶體Tl引腳處測得的電壓為0,意p未著此時電流不再流 過第一電阻器R1或者是第二電阻器R2，因此總線電容器Cb充電完成。控 制裝置能夠通過斷開其電源來控制電晶體Tl處於導通狀態，並且在採用了 "總線電容器快速充電"方式下，控制T2處於關斷狀態。
-網糹各過電壓
當供電網絡A中產生過電壓時，在總線電容器Cb上產生強電流浪湧。 因此流過電晶體T1的電流快速上升，直到電晶體T1變為限制狀態為止。晶 體管Tl的電阻增大來限制電流，這引起電晶體Tl引腳處測得的電壓V的 升高。如果電晶體T1引腳處的電壓V超過了存儲的第二門限值S2，例如， 定為3伏，此時控制裝置對電晶體Tl施加一控制電壓控制來使其截止。在 這種狀況下，電流接著流過第一電阻器Rl,此時第一電阻器R1會遭受過電 壓產生的影響。當過電壓結束時，電晶體Tl引腳處測得的電壓返回到低於
8第二門限值S2，控制裝置通過切斷其電源來導通電晶體Tl。可以通過降低
第二門限值S2來降低最大的限制電流。電晶體Tl接著在變為限制狀態前輩 關斷，它的引腳處的電壓與在導通狀態下它的電阻和流過它的電流的乘積成 比例。
-網絡欠電壓
在控制器的供電網絡處於欠電壓期間，電晶體Tl導通，如果電氣負載 2在逆變器上則總線電容器Cb》文電，或者如果電氣負載2不在逆變器上則 總線電容器Cb不放電。在欠電壓結束之後，當它返回正常值過程中，如果 總線電容器Cb沒有放完電，則不會有電流浪湧產生。相反，如果總線電容 器Cb在欠電壓期間給電氣負載2供電而放電完畢，總線電容器在電壓返回 正常前就必須進行重新充電，這樣會產生強電流浪湧。為了保護控制器元件， 電晶體Tl轉變為限制狀態，且它會引起電晶體Tl引腳處測得的電壓V升 高。當電晶體T1引腳處的電壓V超過了上面定義的第二門限值S2，如3伏 時，控制裝置將電晶體T1關斷。此時電流流過第一電阻器R1。如果電氣負 載2在逆變器上，則給負載2供電的電流和向總線電容器Cb重新充電的電 流一起流過第一電阻器Rl,這會造成第一電阻器R1持續發熱。如果電晶體 Tl引腳處測得的電壓V保持高於第二門限值S2至少一個預存儲時間段t， 如2-3毫秒，則控制裝置140將電晶體T2導通，從而通過流過第二個電阻 器R2的電流來加速對總線電容器Cb的充電過程。這是由於電晶體T1引腳 處的電壓V保持高於第二門限值S2 —段時間，這意味著控制器沒有遇到常 見的暫態過電壓，而是處於欠電壓後並返回正常值的過程中。當電晶體Tl 引腳處測量的電壓V回歸到第二門限值S2之下時，控制裝置140將電晶體 Tl導通。
上述不同的控制順序實現了安裝常導通電晶體Tl的保護裝置的啟動。 然而，也應當以相同的思路來理解使用常關斷電晶體Tl下的情況。但是在 這種情況下，控制裝置中需要一個特殊的隔離電源來控制常關斷電晶體Tl。
根據本發明，這個裝置比較適合如下場合，當控制器l不包括電源總線 上的任何濾波扼流圈(DC扼流圈)，以及當總線電容器具有高電容器值(如， 超過80uF/kW)時。
然而，這種單獨的方法還是有缺點，當電晶體Tl在過電壓期間被關斷 時，在整流模塊12上會產生很大的電流強度變化(高的di/dt)。控制器1的輸入電感或是線路電感(附圖1未示出)會受到很強的瞬態過電壓，它可
能會損壞整流模塊12中的二極體整流橋。
為了消散所產生的能量，可以使用具有電晶體Tl的雪崩特性。電晶體 Tl在當它引腳處的電壓V超過其雪崩門限時，可自動變成導通狀態。如果 在總線電容器引腳處的電壓到達700伏以及當整流模塊的二極體可耐受 1600伏電壓時，電晶體Tl必須設計成例如雪崩門限值為800伏。然而，晶 體管Tl也必須要設計成能夠吸收來自網絡A中大量的能量。
在一個變型中，為了消散產生的能量，可以優選在去耦電容器Cd處， 並聯一個Gmov可變電阻器Ml (以虛線畫出)或者是增加與齊納二極體Zl 並聯提供的常關斷JFET電晶體T3。電晶體T3例如可使用它的雪崩特性或 使用特殊控制來進行導通。
權利要求
1、一種速度控制器，包括-作為輸入的整流模塊(12)，從供電網絡(A)中獲取交流電壓，在電源總線(10，11)上產生直流電壓；-總線電容器(Cb)，連接在電源總線的正極線路和負極線路之間；和-逆變模塊(13)，由電源總線供電，受控傳遞交流電壓到電氣負載(2)；其特徵在於-控制器(1)包括保護裝置(14)，用於保護控制器抵抗供電網絡(A)中由於電壓變化而產生的過電流；並且，其特徵在於保護裝置包括-第一電子開關，位於電源總線上，串聯在整流模塊(12)和總線電容器(Cb)之間；-第一電阻器(R1)，與第一電子開關並聯配置；-組合部件，包括串聯配置的第二電子開關(T2)和第二電阻器(R2)，該組合部件和第一電子開關及第一電阻器(R1)以並聯的方式配置；-控制裝置(140)，用於控制第一電子開關(T1)和第二電子開關(T2)。
2、 根據權利要求1所述的控制器，其特徵在於所述保護裝置(14) 配置在電源總線的正極線路(10)上。
3、 根據權利要求1或2所述的控制器，其特徵在於所述第一電子開 關是JFET電晶體(Tl)。
4、 根據權利要求3所述的控制器，其特徵在於所述JFET電晶體(Tl) 由碳化矽製成。
5、 根據權利要求3或4所述的控制器，其特徵在於所述JFET電晶體 (Tl)是常導通的。
6、 根據權利要求3至5之一所述的控制器，其特徵在於用於控制所 述JFET電晶體(Tl )的所述控制裝置(140)連接在所述電源總線的正極線 路(10)和負極線路(11 )之間。
7、 根據權利要求6所述的控制器，其特徵在於這些控制裝置(140) 包含可向所述JFET電晶體施加控制電壓的電荷泵電路。
8、 根據權利要求3至7之一所述的控制器，其特徵在於第二電子開關為常關斷型。
9、 根據權利要求8所述的控制器，其特徵在於用於控制第二電子開 關的控制裝置包括可對向第二電子開關(T2)施加控制電壓的電荷泵電路。
10、 根據權利要求3至9之一所述的控制器，其特徵在於控制裝置(140) 包括存儲裝置，用於存儲一個門限值(S2),當所述JFET電晶體(Tl)引 腳處測得的電壓(V)超過該門限制(S2)時，所述JFET電晶體(Tl)被 控制裝置(140)關斷。
11、 根據權利要求IO所述的控制器，其特徵在於存儲裝置存儲預先 設定的時間段，在該時間段的末端，如果在JFET電晶體(Tl)引腳處測量 的電壓(V)保持高於所述門限值(S2),第二電子開關(T2)被導通。
12、 根據權利要求3至11之一所述的控制器，其特徵在於控制裝置 (140)包括存儲裝置，用於存儲一個門限值(Sl)，當在電源總線的正極線路(10)和負極線路(11)之間測得的電壓超過該門限值時，第二電子開關 (T2)被導通。
13、 根據權利要求1至12之一所述的控制器，其特徵在於它還包括 了保護整流模塊(12)抵抗過電壓的裝置。
14、 根據權利要求13所述的控制器，其特徵在於用於保護整流模塊 (12)抵抗過電壓的所述裝置包括常導通的JFET限制電晶體(T3)和齊納二極體(Zl)，這兩個器件並聯連接在電源總線的正極線路(10)和負極線 路(11)之間。
15、 根據權利要求13所述的控制器，其特徵在於用於保護整流模塊 抵抗過電壓的裝置包括GMOV可變電阻器(Ml),它連接在電源總線的正 極線路(10)和負極線路(11)之間。
全文摘要
本發明涉及一種速度控制器，包括整流模塊(12)，從供電網絡(A)獲取交流電壓，來在電源總線(10，11)上產生直流電壓；總線電容器(Cb)，連接在電源總線的正極線路和負極線路之間；和逆變模塊(13)，由電源總線供電，受控輸出交流電壓到電氣負載(2)；保護裝置(14)，當供電網絡(A)中由於電壓變化而產生過電流時，對控制器進行保護。
文檔編號H02M5/45GK101515758SQ20091013077
公開日2009年8月26日 申請日期2009年2月23日 優先權日2008年2月21日
發明者菲利普·鮑德森, 霍西尼·鮑拉特斯 申請人:施耐德東芝換流器歐洲公司