CN102217177A - 带保护电路的磁能再生开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供带保护电路的磁能再生开关。在至少由2个反向导通型半导体开关和2个电容器构成的磁能再生开关中，具有保护电路和控制方法的带保护电路的磁能再生开关能够用作控制器或限流器，该保护电路用于保护电容器不受过电压或短路放电的影响，并且，保护反向导通型半导体开关和负载免受过电压或过电流。

Description

带保护电路的磁能再生开关

技术领域

本发明涉及带保护电路的磁能再生开关，更详细地讲，涉及连接在交流电源与负载之间的磁能再生开关、即具有保护电路和控制方法的带保护电路的磁能再生开关，该保护电路用于保护构成磁能再生开关的再生并蓄积磁能的电容器不受过电压或短路放电的影响，并且，保护反向导通型半导体开关和负载免受过电压或过电流。

背景技术

目前，电能***成为一刻也不能停止的重要的社会基础设施，但是，由于负载的异常或故障引起的过电流对策是负载的高速切断，如使用保险丝或高速机械开关等实现。但是，要求如下的高功能的开关即所谓的控制器或限流器：不是完全切断，仅限制过电流而继续运转，在恢复后能够直接运转。

电力***必须设计成，能够耐受白炽灯点亮时的浪涌电流等短时间的过电流、感应电动机起动时的浪涌电流或变压器的初始励磁突入的过电流，可靠地分配设备的耐量是很重要的，但是，近年来的半导体式逆变器电源、例如燃料电池逆变器大多无法耐受变压器的励磁突入电流的接近10倍的峰值电流。因此，在逆变器电源中具有各种软启动功能，但是，在针对一个逆变器电源具有一个负载的情况下可以应对，在一个逆变器电源连接有多个负载的情况下，难以应对之后起动的负载。

在电力***中，考虑保护协调、电流和持续时间来进行设计，以使得设备能够耐受事故时或短时间的过电流，但是，仅进行如下目的的保护协调：开关选择性地切断事故电流，从而使事故不会波及上游。近年来的社会要求为，如果是***下游的事故，则希望不切断电源而尽可能地继续进行运转。

在利用串联要素对事故电流进行限流的限流器中，例如开发了应用超电导与常电导的转移现象的限流器，但是，当事故电流过大时，切断器的容量也过大，所以，如果能够通过限流器使事故电流减少为一半，则能够削减切断器的尺寸和成本。并且，寻求这种限流器。

存在磁能再生开关(以下称为MERS)这种能够针对负载进行电力控制的开关。MERS包括由4个反向导通型半导体开关构成的全桥电路以及连接在全桥电路的直流端子之间的电容器。电容器用于蓄积电流切断时的磁能并针对负载再生。并且，将位于全桥电路的对角的2个反向导通型半导体开关作为一组对，向成对的2个反向导通型半导体开关的栅极发送栅极控制信号。如果以在接通一对反向导通型半导体开关时断开另一对反向导通型半导体开关的方式，在对之间交替接通/断开栅极控制信号，则能够控制电流相位。进而，如果一边使该栅极控制信号与交流电源的频率同步一边控制其相位，则能够任意地控制电流相位。并且，在与MERS连接的负载为感应性负载时，通过使电流相位提前，从而能够提高或降低针对负载的电压。该技术已经进行了专利登记并公开(参照专利文献1)。将该形式的MERS称为全桥型MERS。

并且，在MERS中，全桥型MERS的功能的一部分被限制，但是，已经申请、公开并公知存在能够由2个反向导通型半导体开关构成的更简易的MERS电路。(参照专利文献2和专利文献3)。

专利文献1：日本特许第3634982号公报

专利文献2：日本特开2007-58676号公报

专利文献3：日本特开2008-92745号公报

简易的MERS电路中的被称为纵半桥型MERS的部件是使全桥电路半桥化后的部件。更详细地讲，将全桥型MERS的桥连接的4个反向导通型半导体开关中的在一个交流端子侧连接的2个反向导通型半导体开关分别置换为利用二极管连接成相反方向的部件。并且，追加一个相同容量的电容器，使电容器与各个二极管并联连接。

简易的MERS电路中的被称为横半桥型MERS的部件也是使全桥电路半桥化后的部件，但是，半桥化的方法与纵半桥型MERS不同。将以与全桥电路连接的电容器为轴、沿横向(水平方向)分断的下半部分用作电路，并追加一个相同容量的电容器。更详细地讲，串联连接2个将电容器与反向导通型半导体开关并联连接后的电路，在串联连接时，反向导通型半导体开关彼此以反向串联的朝向进行连接。

纵半桥型MERS和横半桥型MERS与全桥型MERS相比，所使用的电容器的数量需要2倍，但是，所使用的反向导通型半导体开关的数量减半。因此，电流通过的反向导通型半导体开关的数量减少，导通损失减少。并且，每一个电容器的电流任务(每单位时间通过电容器的电流的量)减半，所以，一般地，电容器的寿命延长。并且，与磁能再生有关的基本的电气特性与全桥型MERS大致等效。与全桥型MERS相比，特别是在以大电流为对象的应用时，纵半桥型MERS和横半桥型MERS均是有利的。

如果能够将纵半桥型MERS和横半桥型MERS用作控制器或限流器，则能够实现当初的目的。但是，其使用时具有问题。

在纵半桥型MERS中，在由电容器和负载的电抗成分决定的谐振频率比对反向导通型半导体开关的栅极赋予的栅极控制信号的开关频率低的情况下，2个电容器的电荷未完全放电而残存，在各个电容器中残存有电压(以下称为偏置电压，将在电容器中残存有电压的状态称为DC偏置模式)。在一个电容器进行充放电的期间内，在另一个电容器中仍然残存有偏置电压。因此，在断开状态的反向导通型半导体开关中，除了施加正在进行充放电的电容器的电压以外，还施加另一个电容器所具有的偏置电压，所以，有时会超过反向导通型半导体开关和电容器的额定电压。

并且，在横半桥型MERS中，在由电容器和负载的电抗成分决定的谐振频率比对反向导通型半导体开关的栅极赋予的栅极控制信号的开关频率低的情况下，同样，在各个电容器中产生偏置电压，但是，在一个电容器中产生偏置电压的状态下对另一个电容器进行充电时，使产生偏置电压的一个电容器短路放电(以下，将在横半桥型MERS中使电容器短路放电的状态称为电容器短路模式)。在电容器短路模式的情况下，电容器短路放电，过电流流过反向导通型半导体开关和负载。有时成为破坏反向导通型半导体开关的原因。

纵半桥型MERS和横半桥型MERS始终掌握并使用对电容器的耐电压、反向导通型半导体开关的电流容量和耐电压造成影响的电容器的电荷、即电容器的电压状态，这在应用上是不可或缺的。

关于DC偏置模式和电容器短路模式，除了可能由于电源频率的扰乱而产生以外，还可能由于负载的过电流而引起。并且，与电源频率的扰乱相比，负载的过电流的产生频度较高。在纵半桥型MERS和横半桥型MERS的通常动作中对由于负载的过电流而引起的过大磁能进行控制时，有时再生而产生预定外的较大磁能。此时，负载电压也成为过电压。有时该过电压超过负载的耐电压而成为使负载故障或破坏负载的原因。在产生负载的过电流的情况下，如果能够迅速保护电容器和反向导通型半导体开关，则其结果也能够保护负载。保护电容器和反向导通型半导体开关的功能是很重要的，与此同时，电容器和反向导通型半导体开关自身不具有过大的过载耐量即可，为了实现MERS的小型化和低成本化，这也是很重要的。

保护电容器和反向导通型半导体开关时，附加有切断MERS电路自身的电路、或对MERS电路的输入端和输出端进行旁通的电路，转移到对MERS电路进行旁通的状态，能够容易地仅中止MERS的功能。但是，那样的话会中止负载的运转或大幅变更运转条件(例如从全负载运转变更为中负载运转等)，与MERS并联连接且正在运转的其他负载也同时受到影响。以往，对此毫无办法。

纵半桥型MERS和横半桥型MERS具有2个反向导通型半导体开关和2个电容器，反向导通型半导体开关的接通/断开的定时也能够自由设定。因此，如果使用充分利用这些性质的控制方法，则能够进行如下动作：在负载的过电流时，不用仅切断或旁通MERS电路自身，在保持最大能力的状态下，对过电流进行阻止或限流，如果过电流的产生原因消失，则恢复为通常动作。如果能够进行上述动作，则纵半桥型MERS和横半桥型MERS能够具有更高功能。

发明内容

本发明是鉴于这些情况而完成的，其目的在于，提供如下的带保护电路的磁能再生开关：能够保护纵半桥型MERS和横半桥型MERS不受纵半桥型MERS的电容器的偏置电压成为原因的过电压、横半桥型MERS的电容器的偏置电压成为原因的短路放电、以及由于负载的异常或故障而引起的过电压或过电流的影响。

本发明的上述目的通过以下手段来实现。

(1)通过如下的带保护电路的磁能再生开关来实现：该带保护电路的磁能再生开关具有：磁能再生开关，其***于交流电源与负载之间，蓄积电流切断时的电流的磁能而再生到负载中；以及保护单元，其用于保护磁能再生开关免受过电压或过电流，其中，磁能再生开关具有：桥电路，其由2个串联连接的反向导通型半导体开关和2个串联连接的二极管构成；对2个串联连接的二极管分别并联连接的2个串联连接的电容器；以及控制单元，其控制反向导通型半导体开关的栅极控制信号的相位，使得与交流电源的频率同步地，交替地对反向导通型半导体开关进行接通/断开控制，保护单元具有：电压检测部，其连接在桥电路的直流端子之间，检测2个串联连接的电容器的两端电压；以及放电电路，其连接在桥电路的直流端子之间，由放电电阻和放电开关串联连接而成，对放电开关的栅极进行如下控制：在电压检测部的输出超过规定值时，使放电开关短路，使得经由放电电阻释放出电容器的电荷。

(2)进而，上述目的通过如下的带保护电路的磁能再生开关来实现：该带保护电路的磁能再生开关具有：磁能再生开关，其***于交流电源与负载之间，蓄积电流切断时的电流的磁能而再生到负载中；以及保护单元，其用于保护磁能再生开关免受过电压或过电流，其中，磁能再生开关具有：桥电路，其由2个串联连接的反向导通型半导体开关和2个串联连接的二极管构成；串联连接的第1电容器和第2电容器，它们相对于2个串联连接的二极管分别并联连接；以及控制单元，其控制反向导通型半导体开关的栅极控制信号的相位，使得与交流电源的频率同步地，交替地对反向导通型半导体开关进行接通/断开控制，保护单元在桥电路的直流端子之间具有：第1电压检测部，其与第1电容器并联连接，检测第1电容器的电压；第2电压检测部，其与第2电容器并联连接，检测第2电容器的电压；第1放电电路，其与第1电容器并联连接且与第1电压检测部并联连接，由第1放电电阻和第1放电开关串联连接而成；以及第2放电电路，其与第2电容器并联连接且与第2电压检测部并联连接，由第2放电电阻和第2放电开关串联连接而成，对放电开关的栅极进行如下控制：在第1电压检测部的输出超过规定值时，使第1放电开关短路，经由第1放电电阻释放第1电容器的电荷，进而，在第2电压检测部的输出超过规定值时，使第2放电开关短路，经由第2放电电阻释放第2电容器的电荷。

(3)进而，上述目的通过如下的带保护电路的磁能再生开关来实现：该带保护电路的磁能再生开关具有：磁能再生开关，其***于交流电源与负载之间，蓄积电流切断时的电流的磁能而再生到负载中；以及保护单元，其用于保护磁能再生开关免受过电压或过电流，其中，磁能再生开关具有：布线，其将2个反向串联连接的反向导通型半导体开关与串联连接的第1电容器和第2电容器并联连接，连接2个反向串联连接的反向导通型半导体开关的中点与串联连接的第1电容器和第2电容器的中点彼此之间；以及控制单元，其控制反向导通型半导体开关的栅极控制信号的相位，使得与交流电源的频率同步地，交替地对反向导通型半导体开关进行接通/断开控制，保护单元具有：第1电压检测部，其与第1电容器并联连接，检测第1电容器的电压；第2电压检测部，其与第2电容器并联连接，检测第2电容器的电压；第1放电电路，其与第1电容器并联连接且与第1电压检测部并联连接，由第1放电电阻和第1放电开关串联连接而成；以及第2放电电路，其与第2电容器并联连接且与第2电压检测部并联连接，由第2放电电阻和第2放电开关串联连接而成，对放电开关的栅极进行如下控制：在第1电压检测部的输出超过规定值时，使第1放电开关短路，经由第1放电电阻释放第1电容器的电荷，进而，在第2电压检测部的输出超过规定值时，使第2放电开关短路，经由第2放电电阻释放第2电容器的电荷。

(4)通过如下的带保护电路的磁能再生开关来实现：在(1)～(3)中的任一项所述的发明中，保护单元还具有电流检测部，该电流检测部***于交流电源与负载之间，检测流过负载的电流，在电流检测部的输出超过规定值时，使反向导通型半导体开关的栅极控制信号的接通脉冲的占空比小于0.5，由此进行限流控制。

(5)通过如下的带保护电路的磁能再生开关来实现：在(4)所述的发明中，保护单元在电流检测部的输出返回到规定值时，使反向导通型半导体开关的栅极控制信号的接通脉冲的占空比返回到0.5，结束限流控制。

(6)通过如下的带保护电路的磁能再生开关来实现：在(1)～(4)中的任一项所述的发明中，保护单元对反向导通型半导体开关的栅极进行如下控制：在电压检测部的输出超过规定值的期间超过规定时间时，断开全部反向导通型半导体开关，切断电流。

(7)通过如下的带保护电路的磁能再生开关来实现：在(1)～(4)中的任一项所述的发明中，保护单元对放电开关的栅极进行如下控制：在电压检测部的输出超过规定值的期间超过规定时间时，释放2个电容器的电荷，使电压成为零，然后，对反向导通型半导体开关的栅极进行如下控制：接通全部反向导通型半导体开关，使电流成为双向导通状态。

(8)通过如下的带保护电路的磁能再生开关来实现：在(1)～(3)中的任一项所述的发明中，保护单元还具有电流检测部，该电流检测部***于交流电源与负载之间，检测流过负载的电流，对反向导通型半导体开关的栅极进行如下控制：在电流检测部的输出超过规定值时，断开全部反向导通型半导体开关，切断电流。

(9)通过如下的带保护电路的磁能再生开关来实现：在(1)所述的发明中，保护单元还具有电流检测部，该电流检测部***于交流电源与负载之间，检测流过负载的电流，对反向导通型半导体开关的栅极进行如下控制：在电流检测部的输出超过规定值时，仅使接通的反向导通型半导体开关断开，切断电流。

根据本发明，能够提供如下的带保护电路的磁能再生开关：通过保护电路，能够保护纵半桥型MERS和横半桥型MERS不受纵半桥型MERS的电容器的偏置电压成为原因的过电压、横半桥型MERS的电容器的偏置电压成为原因的短路放电、以及由于负载的异常或故障而引起的过电压或过电流的影响。

附图说明

图1示出使用现有的全桥型磁能再生开关的交流电源装置。

图2示出使用现有的纵半桥型磁能再生开关的交流电源装置。

图3A是示出使用现有的纵半桥型磁能再生开关的交流电源装置的电流流程的图。

图3B是示出图3A的电流流程时的动作的波形图。示出DC偏置模式的状态。

图4示出使用现有的横半桥型磁能再生开关的交流电源装置。

图5A是示出使用现有的横半桥型磁能再生开关的交流电源装置的电流流程的图。

图5B是示出图5A的电流流程时的动作的波形图。示出电容器短路模式的状态。

图6A是示出现有的纵半桥型磁能再生开关中的过电压和过电流的产生的仿真结果的波形图。

图6B是示出现有的纵半桥型磁能再生开关中的过电压和过电流的产生的仿真结果的波形图。

图7是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式1的电路框图。

图8A是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式1的动作的仿真结果的图。

图8B是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式1的动作的仿真结果的波形图。

图9A是示出用于进行本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式1的动作的其他仿真的电路的图。

图9B是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式1的动作的其他仿真结果的波形图。

图9C是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式1的动作的其他仿真结果的波形图。

图10是说明本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式1的栅极接通脉冲的占空比的图。

图11是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式2的电路框图。

图12是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式3的电路框图。

图13A是示出用于进行本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式3的动作的仿真的电路的图。

图13B是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式3的动作的仿真结果的波形图。

图13C是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式3的动作的仿真结果的波形图。

图13D是示出本发明的带保护电路的磁能再生开关的实施方式3的动作的仿真结果的波形图。

标号说明

1a、1b：桥电路(半桥电路)；3：交流电源；4：控制单元；5、501、502：电压检测部；6、601、602：放电电路；61、611、612：放电电阻；62、621、622：放电开关；7：电流检测部；8：负载；L：负载的电抗成分；R：负载的电阻成分；10：保护电路；S1、S2、S3、S4：反向导通型半导体开关；G1、G2、G3、G4：栅极控制信号；H1、H2、H4：栅极控制信号；C1、C2：电容器；D1、D2：辅助二极管；AC：桥电路的交流端子；DC(P)、DC(N)：桥电路的直流端子；Vin：电源电压；Iin：输入电流；Vc1：电容器C1的电压；Vc2：电容器C2的电压；Ic1：电容器C1的电流；Ic2：电容器C2的电流；Vout：输出电压；Iout：输出电流。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的优选实施方式。对各图所示的相同或同等的构成要素、部件、处理标注相同标号，适当省略重复说明。并且，实施方式并不对发明进行限定而是例示，实施方式所记述的全部特征及其组合不一定是发明的本质的特征及其组合。

[实施方式1]

接着，对本发明的实施方式1的带保护电路的磁能再生开关进行说明。

图7是示出本发明的实施方式1的带保护电路的磁能再生开关100的结构的电路图。

该带保护电路的磁能再生开关100是具有用于保护图2所示的使用纵半桥型MERS的交流电源装置1a免受过电压或过电流的保护电路的带保护电路的磁能再生开关。

更详细地讲，如图7所示，带保护电路的磁能再生开关100的基本结构为纵半桥型MERS，其包括：桥电路(半桥电路)，其由2个反向导通型半导体开关S1、S2和2个辅助二极管D1、D2构成；电容器C1、C2，其在该桥电路的直流端子DC(P)与DC(N)之间，对各个辅助二极管D1、D2并联连接，蓄积桥电路的电流切断时的磁能；以及栅极控制单元4，其控制栅极控制信号G1、G2的相位，以便与电源的频率同步地，交替地对反向导通型半导体开关S1、S2进行接通/断开控制。

反向导通型半导体开关S1、S2例如由FET或IGBT等的自消弧形的半导体元件和反向并联连接的二极管构成。反向并联连接的二极管能够使用在交流电源的频率充分低的情况下反向回复时间较长的功率MOSFET的寄生二极管。

该纵半桥型MERS串联***于交流电源3与负载8之间，该负载8由电抗成分L和电阻成分R构成。具体而言，交流电源3与桥电路的一个交流端子(AC)连接，负载8与另一个交流端子(AC)连接，构成交流电源装置1a。

用于保护纵半桥型MERS免受过电压或过电流的保护电路10具有：电压检测部5，其连接在桥电路的直流端子DC(P)与DC(N)之间，且与电容器C1和C2的串联电路并联连接，检测电容器C1和电容器C2的合计电压；以及放电电路6，其同样与电容器C1和C2的串联电路并联连接。该放电电路6串联连接有放电电阻61和放电开关62，通过从控制单元4传递的放电开关62的栅极控制信号H1对放电开关62的接通/断开进行控制。

具体而言，电压检测部5的输出被输入到控制单元4，在控制单元4中与预先存储的规定值(阈值)进行比较，在电压检测部5的输出超过阈值时、即电容器C1和电容器C2的合计电压为过电压时，从控制单元4传递使放电开关62的栅极接通的栅极控制信号H1，使放电开关62短路，经由放电电阻61释放电容器C1和电容器C2的电荷，由此，降低两个电容器电压。在电容器电压恢复到正常范围内时，从控制单元4传递使放电开关62的栅极断开的栅极控制信号H1，断开放电开关62。另外，放电开关62也可以与反向导通型半导体开关S1、S2同样，例如由FET或IGBT等的自消弧形的半导体元件和反向并联连接的二极管构成，或者是功率MOSFET。

电容器C1和电容器C2的电压以反向导通型半导体开关S1、S2的栅极控制信号G1、G2的周期进行振动，所以，针对过电压的保护必须是高速的。当由电压检测部5检测到的电容器电压要超过阈值时，通过电流限制的放电电阻61等进行放电，其结果，电容器的电压不会超过阈值而在该值停止。

图8A和图8B示出具有保护电路10的带保护电路的磁能再生开关100的动作的仿真结果。

当电容器C1和电容器C2的合计电压要超过大约800Vpp时，通过控制单元4接通放电开关62，使向放电电阻61放出电流的放电电路6进行动作，对电容器C1和电容器C2的过电压进行放电，电容器C1和电容器C2的合计电压不会成为800Vpp以上。这里，重点是抑制了电容器C1和电容器C2的合计电压，其结果，抑制了电抗电压，所以，通过电容器C1和电容器C2的合计电压的限制，抑制了负载电压Vout和负载电流Iout的上升。

图6A和图6B示出不具有保护电路10的使用现有的纵半桥型MERS的交流电源装置1a的动作的仿真结果。

由于过载，在负载8的电阻成分R成为一半而产生过电流后的大约0.5秒之后，输出电压Vout从100Vrms急速上升到240Vrms，电容器C1和电容器C2的合计电压从大约280pp急速上升到大约1600Vpp。因此，如图8A和图8B所示可知，具有保护电路10的带保护电路的磁能再生开关100有效地发挥作用。

特征在于，当纵半桥型MERS产生过电流时，2个电容器的电压急速上升，但是，如果抑制电容器的电压，则负载电压和负载电流双方不会急速上升，与用作现有的电压型逆变器装置内的直流电压源的电容器的过电压保护具有本质区别。

作为其他方法，在超过电容器的耐电压、反向导通型半导体开关的耐电压的情况下，首先考虑使纵半桥型MERS的栅极控制信号的相位进一步提前，来降低负载的分担电压。但是，栅极控制信号的相位的控制周期是与交流电源的频率同步的半个循环，关于与交流电源的相位的变化速度接近的栅极控制信号的接通/断开的相位的变化，反向导通型半导体开关的栅极的接通时间为交流电源的周期的半个循环以上，在负载电压中产生直流成分，所以，是不理想的。在栅极控制信号的接通/断开的相位的变化中需要加入10mS以上(交流电源的频率为50Hz的情况)的时间常数。并且，在交流电源的周期的一个循环后出现结果。针对负载的输出变化控制，利用上述控制就足够了，但是，由事故等引起的过电流的电流增加速度比交流电源的一个循环快，所以，保护动作跟不上。

图9A是观察本发明的实施方式1的带保护电路的磁能再生开关100中的基于栅极控制信号的相位的急剧变化和栅极接通信号的脉冲宽度缩小而引起的电容器电压、负载电压、负载电流的变化的仿真用的电路图。

图9B示出在时刻0.50秒产生基于过载的负载电压的过电压和负载电流的过电流、在时刻0.60秒作为保护对应而急剧改变栅极信号相位时的仿真结果。

图9B的波形图从上侧起示出负载(输出)电压、负载(输出)电流、电容器电压。该情况下，在栅极控制信号的脉冲缺失时，负载(输出)电流紊乱，成为直流输出的状态。因此，可知，电压检测部5的输出被输入到控制单元4，在控制单元4中与预先存储的规定值(阈值)进行比较，在电压检测部5的输出超过阈值时、即电容器C1和电容器C2的合计电压为过电压时，即使向降低电容器电压的方向改变栅极控制信号的接通/断开的相位，也跟不上。

因此，作为本发明的保护电路的更加优选的实施方式，存在减少栅极控制信号的接通信号的脉冲宽度的方法，即，也可以使栅极控制信号的“占空比”小于0.5。即，如图7所示，也可以在交流电源装置1a与负载8之间***电流检测部7，检测流过负载8的电流，在电流检测部7的输出超过规定值时，控制单元4使反向导通型半导体开关S1、S2的栅极控制信号G1、G2的脉冲的接通/断开的“占空比”小于0.5，由此进行限流控制。

图10对接通/断开的“占空比”进行说明。在通常状态、即电流检测部7的输出没有超过规定值时，反向导通型半导体开关S1的栅极控制信号G1在时间t1转到接通，在时间t3转到断开，在t5再次转到接通，以后反复进行该动作。并且，反向导通型半导体开关S2的栅极控制信号G2在时间t1转到断开，在时间t3转到接通，在t5再次转到断开，成为与反向导通型半导体开关S1的栅极控制信号G1正好相反的动作。另外，栅极控制信号的接通/断开切换定时比交流电源的极性相位切换定时提前αdeg(即、接通/断开相位α的状态)。这里，关于反向导通型半导体开关S1的栅极控制信号G1，接通时间(从时间t1到时间t3)与断开时间(从时间t3到时间t5)相等。观察反向导通型半导体开关S2的栅极控制信号G2时，断开时间(从时间t1到时间t3)与接通时间(从时间t3到时间t5)相等。这是接通/断开的“占空比”＝0.5的状态。

当“使接通/断开的“占空比”小于0.5”时，如图10所示，反向导通型半导体开关S1的栅极控制信号G1在时间t1转到接通，在时间t2(时间t3的规定时间前)转到断开，在t5再次转到接通，以后反复进行该动作。并且，反向导通型半导体开关S2的栅极控制信号G2在时间t3转到接通，在t4(时间t5的规定时间前)再次转到断开，成为与反向导通型半导体开关S1的栅极控制信号G1正好相反的动作。这里，关于反向导通型半导体开关S1的栅极控制信号G1，削减了从时间t2到时间t3的接通时间，关于反向导通型半导体开关S2的栅极控制信号G2，削减了从时间t4到时间t5的接通时间。即，减少了接通信号的脉冲宽度。

从时间t2到时间t3以及从时间t4到时间t5的期间是反向导通型半导体开关S1的栅极控制信号G1和反向导通型半导体开关S2的栅极控制信号G2均断开的期间(以下称为全断开期间)。全断开期间设定在反向导通型半导体开关S1的栅极控制信号G1和反向导通型半导体开关S2的栅极控制信号G2的接通期间的后部(削减接通期间的后部)。并且，也可以在接通期间的中途瞬时一次或多次断开已接通的栅极，从而设置全断开期间。

图9C示出在时刻0.50秒产生基于过载的负载电压的过电压和负载电流的过电流、在时刻0.60秒作为保护对应而急剧地使接通信号的脉冲宽度从“占空比”＝0.5急速减少时的仿真结果。

图9C的波形图从上侧起示出栅极控制信号、负载(输出)电压、负载(输出)电流、电容器电压。可知，即使减少栅极控制信号的接通信号的脉冲宽度，也不会引起电流波形的紊乱，电流减少。

具体而言，控制单元4在检测到过电压时，根据该过电压信号，减少反向导通型半导体开关S1、S2的栅极控制信号G1、G2的接通信号的脉冲宽度，和/或在检测到过电流时，根据该过电流信号，减少反向导通型半导体开关S1、S2的栅极控制信号G1、G2的接通信号的脉冲宽度。由此，负载电压的上升停止，负载电流由于电流反馈控制而降低到过电流保护电平以下。电容器C1和电容器C2的过电压也低于保护电平。基于该栅极控制信号的占空比控制的电流反馈控制在瞬时没有效果，所以，优选与基于放电开关62的电容器的电荷放电相组合。并且，在进行基于栅极控制信号的占空比控制的电流反馈控制和/或基于放电开关62的放电时，优选接通/断开相位不变化而是固定的。

通过基于栅极控制信号的占空比控制的电流反馈控制，在负载电流超过阈值时，反向导通型半导体开关S1、S2的栅极断开的时间变长(接通信号的脉冲宽度变窄)。即，反向导通型半导体开关S1、S2作为限流器发挥作用。因此，能够使纵半桥型MERS自身作为限流器进行动作。

如上所述，作为纵型半桥MERS的保护方法，能够发挥基于电容器C1和电容器C2的电压的削峰而实现的过电压保护功能、以及基于反向导通型半导体开关S1、S2的栅极控制信号G1、G2的占空比控制而实现的电流限制功能。这些功能可以仅使用一方，也可以组合使用。在组合使用的情况下，纵半桥型MERS的保护功能进一步提高。

也可以构成为，对栅极控制信号G1、G2进行如下控制：在电压检测部5的输出超过规定值的期间超过规定时间时，断开全部反向导通型半导体开关S1、S2，切断电流。

并且，也可以构成为，对放电开关的栅极进行如下控制：在电压检测部5的输出超过规定电压值的期间超过规定时间时，释放电容器C1和电容器C2的电荷，使电压成为零，然后，对栅极控制信号G1、G2进行如下控制：接通全部反向导通型半导体开关S1、S2，成为电流的双向导通状态。

[实施方式2]

接着，对本发明的实施方式2的带保护电路的磁能再生开关进行说明。

图11是示出本发明的实施方式2的带保护电路的磁能再生开关200的结构的电路图。

该带保护电路的磁能再生开关200是具有用于保护图2所示的使用纵半桥型MERS的交流电源装置1a免受过电压或过电流的保护电路的带保护电路的磁能再生开关。

在本发明的实施方式2中，作为保护电路，设置与电容器C1和电容器C2对应的2个放电电路和2个电压检测部。

更详细地讲，第1放电电路601与电容器C1并联连接，第2放电电路602与电容器C2并联连接，进而，第1电压检测部501与电容器C1和第1放电电路601并联连接，第2电压检测部502与电容器C2和第2放电电路602并联连接。

第1放电电路601是串联连接放电电阻611和放电开关621而构成的，第2放电电路602是串联连接放电电阻612和放电开关622而构成的。通过从控制单元4传递的放电开关621、622的栅极控制信号H1、H2对各个放电开关621、622的接通/断开进行控制。即，电压检测部501的输出被输入到控制单元4，在控制单元4中与预先存储的规定值(阈值)进行比较，在电压检测部501的输出超过阈值时、即电容器C1的电压为过电压时，从控制单元4传递使放电开关621的栅极接通的栅极控制信号H1，使放电开关621短路，经由放电电阻611释放电容器C1的电荷，由此，降低电容器C1的电压，并且，在电容器C1的电压恢复到正常范围内时，从控制单元4传递使放电开关621的栅极断开的栅极控制信号H1，断开放电开关621。

同样，电压检测部502的输出被输入到控制单元4，在控制单元4中与预先存储的规定值(阈值)进行比较，在电压检测部502的输出超过阈值时、即电容器C2的电压为过电压时，从控制单元4传递使放电开关622的栅极接通的栅极控制信号H2，使放电开关622短路，经由放电电阻612释放电容器C2的电荷，由此，降低电容器C2的电压，并且，在电容器C2的电压恢复到正常范围内时，从控制单元4传递使放电开关622的栅极断开的栅极控制信号H2，断开放电开关622。

这样，在本发明的实施方式2中，通过电压检测部501和电压检测部502，能够单独地检测纵半桥型MERS的电容器C1和电容器C2的电压，单独地保护各个电容器C1和电容器C2。

进而，如图11所示，也可以在交流电源装置1a与负载8之间***电流检测部7，检测流过负载8的电流，在电流检测部7的输出超过规定值时，控制单元4使反向导通型半导体开关S1、S2的栅极控制信号G1、G2的脉冲的接通/断开的“占空比”小于0.5，由此进行限流控制。“占空比”的形式与在本发明的实施方式1的带保护电路的磁能再生开关100中说明的形式相同。

也可以构成为，对栅极控制信号G1、G2进行如下控制：在电压检测部501、502的输出超过规定值的期间超过规定时间时，断开全部反向导通型半导体开关S1、S2，切断电流。

并且，也可以构成为，对放电开关621、622的栅极H1、H2进行如下控制：在电压检测部501、502的输出超过规定电压值的期间超过规定时间时，释放电容器C1和电容器C2的电荷，使电压成为零，然后，对栅极控制信号G1、G2进行如下控制：接通全部反向导通型半导体开关S1、S2，使电流成为双向导通状态。

[实施方式3]

接着，对本发明的实施方式3的带保护电路的磁能再生开关进行说明。

图12是示出本发明的实施方式3的带保护电路的磁能再生开关300的结构的电路图。

该带保护电路的磁能再生开关300是具有用于保护图4所示的使用横半桥型MERS的交流电源装置1b免受过电压或过电流的保护电路的带保护电路的磁能再生开关。

更详细地讲，如图12所示，带保护电路的磁能再生开关300具有：布线23，其将2个反向串联连接的反向导通型半导体开关S2、S4与串联连接的第1电容器C1和第2电容器C2并联连接，连接2个反向导通型半导体开关S1和S2的中点与第1电容器C1和第2电容器C2的中点彼此之间；以及控制单元4，其控制栅极控制信号G2、G4的相位，使得与交流电源的频率同步地，交替地对反向导通型半导体开关进行接通/断开控制。交流电源3与反向导通型半导体开关S2和电容器C1之间的连接点连接，负载8经由电流检测部7与反向导通型半导体开关S4和电容器C2之间的连接点连接。

在本发明的实施方式3中，第1放电电路601与C1并联连接，第2放电电路602与电容器22并联连接，进而，第1电压检测部501与电容器21和第1放电电路601并联连接，第2电压检测部501与电容器22和第2放电电路602并联连接。

第1放电电路601是串联连接放电电阻611和放电开关621而构成的，第2放电电路602是串联连接放电电阻612和放电开关622而构成的。通过从控制单元4传递的放电开关621、622的栅极控制信号H2、H4对各个放电开关621、622的接通/断开进行控制。

即，电压检测部501的输出被输入到控制单元4，在控制单元4中与预先存储的规定值(阈值)进行比较，在电压检测部501的输出超过阈值时、即电容器C1的电压为过电压时，从控制单元4传递使放电开关621的栅极接通的栅极控制信号H2，使放电开关621短路，经由放电电阻611释放电容器C1的电荷，由此，降低电容器C1的电压，并且，在电容器C1的电压恢复到正常范围内时，从控制单元4传递使放电开关621的栅极断开的栅极控制信号H2，断开放电开关621。

同样，电压检测部502的输出被输入到控制单元4，在控制单元4中与预先存储的规定值(阈值)进行比较，在电压检测部502的输出超过阈值时、即电容器C2的电压为过电压时，从控制单元4传递使放电开关622的栅极接通的栅极控制信号H4，使放电开关622短路，经由放电电阻612释放电容器C2的电荷，由此，降低电容器C2的电压，并且，在电容器C2的电压恢复到正常范围内时，从控制单元4传递使放电开关622的栅极断开的栅极控制信号H4，断开放电开关622。

在本发明的实施方式3中，通过电压检测部501和电压检测部502，能够单独地检测横半桥型MERS的电容器C1和电容器C2的电压，单独地保护各个电容器C1和C2。

进而，如图12所示，也可以在交流电源装置1b与负载8之间***电流检测部7，检测流过负载8的电流，在电流检测部7的输出超过规定值时，控制单元4使反向导通型半导体开关S2、S4的栅极控制信号G2、G4的脉冲的接通/断开的“占空比”小于0.5，由此进行限流控制。“占空比”的形式与在本发明的实施方式1的带保护电路的磁能再生开关100中说明的形式相同。

图13A是观察本发明的实施方式3的带保护电路的磁能再生开关300中的基于过电压保护电路和栅极接通信号的脉冲宽度缩小而引起的电容器电压、负载(输出)电压、负载(输出)电流的变化的仿真用的电路图。

图13B示出如下情况下的负载(输出)电压和负载(输出)电流的变化的仿真结果：在时刻0.20秒～时刻0.50秒的期间产生基于过载的过电压和过电流，同时电容器C1、C2示出规定电压以上的情况下，进行通过放电电路对过电压进行放电的对应。

图13B的波形图从上侧起示出栅极控制信号、负载(输出)电压、电容器电压、负载(输出)电流、放电开关的栅极控制信号。可知，在电容器C1、C2示出规定电压以上的情况下，放电开关621、622对电容器C1和电容器C2的过电压进行放电，所以，电容器C1和电容器C2的电压分别被抑制为大约400Vpp，其结果，抑制了负载电压Vout和负载电流Iout的大幅上升。

图13C示出如下情况下的负载(输出)电压和负载(输出)电流的变化的仿真结果：在时刻0.20秒～时刻0.50秒的期间产生基于过载的过电压和过电流，同时电容器C1和电容器C2的电压不为零的情况下，进行不接通反向导通型半导体开关S2的栅极G2和反向导通型半导体开关S4的栅极G4的对应。

图13C的波形图从上侧起示出栅极控制信号、负载(输出)电压、电容器电压、负载(输出)电流。控制单元4在对反向导通型半导体开关S2和S4的接通/断开进行切换时，在与接着接通的反向导通型半导体开关并联连接的电容器的电压不为零的情况下，在该电容器的电压为零之前，维持之前的状态(该反向导通型半导体开关断开的状态)，在电容器的电压为零的时点，赋予接通该反向导通型半导体开关的栅极控制信号。因此，电容器C1和电容器C2不引起短路放电。

关于该栅极控制信号G2和G4的脉冲波形，在反向导通型半导体开关的栅极G2、G4接通的期间，在电容器C1、C2不是零电压的情况下，不接通栅极G2、G4，所以，相当于减少反向导通型半导体开关S2、S4的栅极控制信号G2、G4的脉冲接通信号的脉冲宽度、使“占空比”小于0.5的情况。

因此，在本发明的实施方式3的带保护电路的磁能再生开关300中，减少反向导通型半导体开关S2、S4的栅极控制信号G2、G4的脉冲接通信号的脉冲宽度、“占空比”小于0.5，作为电容器C1、C2的保护是有效的。全断开期间设定在反向导通型半导体开关S1的栅极控制信号G1和反向导通型半导体开关S2的栅极控制信号G2的接通期间的前部(削减接通期间的初始)。

这里，在电容器C1、电容器C2的电压不为零的情况下，通过不接通反向导通型半导体开关S2、S4的栅极控制信号G2、G4的限制，来进行全断开期间的设定，但是，也可以假设电容器C1、电容器C2进行放电的时间来设定全断开期间。

如上所述，作为横型半桥MERS的保护方法，能够发挥基于电容器C1和电容器C2的电压的削峰而实现的过电压保护功能、以及基于反向导通型半导体开关S2、S4的栅极控制信号G2、G4的占空比控制而实现的电流限制功能。这些功能可以仅使用一方，也可以组合使用。在组合使用的情况下，横半桥型MERS的保护功能进一步提高。

图13D是如下情况下的仿真结果：在时刻0.20秒～时刻0.50秒的期间产生基于过载的过电压和过电流，同时电容器C1和电容器C2的电压不为零的情况下，进行不接通栅极G2、G4的对应以及通过放电电路对过电压进行放电的对应这双方。

图13D的波形图从上侧起示出栅极控制信号、负载(输出)电压、电容器电压、负载(输出)电流、放电开关的栅极控制信号。该情况下，电容器C1和电容器C2的电压分别被抑制为大约400Vpp，并且，抑制了负载(输出)电压的大幅上升。进而，与稳定状态相比，较少地提供负载(输出)电流，更大地实现了限流控制的效果。

在本发明的实施方式3的带保护电路的磁能再生开关300中，在进行基于栅极脉冲的占空比控制的电流反馈控制和/或基于放电开关621、622的放电时，优选接通/断开相位不变化而是固定的。

也可以构成为，对放电开关621、622的栅极H2、H4进行如下控制：在电压检测部501、502的输出超过规定电压值的期间超过规定时间时，释放电容器C1和电容器C2的电荷，使电压成为零，然后，对栅极G2、G4进行如下控制：断开全部反向导通型半导体开关S2、S4，切断电流。

并且，也可以构成为，对放电开关621、622的栅极H2、H4进行如下控制：在电压检测部501、502的输出超过规定电压值的期间超过规定时间时，释放电容器C1和电容器C2的电荷，使电压成为零，然后，对栅极G2、G4进行如下控制：接通全部反向导通型半导体开关S2、S4，成为电流的双向导通状态。

另外，本发明不限于上述实施方式，能够根据本领域技术人员的知识进行各种设计变更等的变形，进行了这种变形后的实施方式也能够包含在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种带保护电路的磁能再生开关，其具有：

磁能再生开关，其***于交流电源与负载之间，蓄积电流切断时的电流的磁能而再生到所述负载中；以及

保护单元，其用于保护该磁能再生开关免受过电压或过电流，

其中，

所述磁能再生开关具有：桥电路，其由2个串联连接的反向导通型半导体开关和2个串联连接的二极管构成；2个串联连接的电容器，它们相对于所述2个串联连接的二极管分别并联连接；以及控制单元，其控制所述反向导通型半导体开关的栅极控制信号的相位，以与所述交流电源的频率同步地，交替地对所述反向导通型半导体开关进行接通/断开控制，

所述保护单元具有：电压检测部，其连接在所述桥电路的直流端子之间，检测所述2个串联连接的电容器的两端电压；以及放电电路，其连接在所述桥电路的所述直流端子之间，由放电电阻和放电开关串联连接而成，

对所述放电开关的栅极进行如下控制：在所述电压检测部的输出超过规定值时，使所述放电开关短路，经由所述放电电阻来释放所述电容器的电荷。

2.一种带保护电路的磁能再生开关，其具有：

磁能再生开关，其***于交流电源与负载之间，蓄积电流切断时的电流的磁能而再生到所述负载中；以及

保护单元，其用于保护该磁能再生开关免受过电压或过电流，

其中，

所述磁能再生开关具有：桥电路，其由2个串联连接的反向导通型半导体开关和2个串联连接的二极管构成；串联连接的第1电容器和第2电容器，它们相对于所述2个串联连接的二极管分别并联连接；以及控制单元，其控制所述反向导通型半导体开关的栅极控制信号的相位，以与所述交流电源的频率同步地，交替地对所述反向导通型半导体开关进行接通/断开控制，

所述保护单元在所述桥电路的直流端子之间具有：第1电压检测部，其与所述第1电容器并联连接，检测所述第1电容器的电压；第2电压检测部，其与所述第2电容器并联连接，检测所述第2电容器的电压；第1放电电路，其与所述第1电容器并联连接且与所述第1电压检测部并联连接，由第1放电电阻和第1放电开关串联连接而成；以及第2放电电路，其与所述第2电容器并联连接且与所述第2电压检测部并联连接，由第2放电电阻和第2放电开关串联连接而成，对所述放电开关的栅极进行如下控制：在所述第1电压检测部的输出超过规定值时，使所述第1放电开关短路，经由所述第1放电电阻来释放所述第1电容器的电荷，进而，在所述第2电压检测部的输出超过规定值时，使所述第2放电开关短路，经由所述第2放电电阻来释放所述第2电容器的电荷。

3.一种带保护电路的磁能再生开关，其具有：

磁能再生开关，其***于交流电源与负载之间，蓄积电流切断时的电流的磁能而再生到所述负载中；以及

保护单元，其用于保护该磁能再生开关免受过电压或过电流，

其中，

所述磁能再生开关具有：布线，其将2个反向串联连接的反向导通型半导体开关与串联连接的第1电容器和第2电容器并联连接，连接所述2个反向串联连接的反向导通型半导体开关的中点与所述串联连接的第1电容器和所述第2电容器的中点彼此之间；以及控制单元，其控制所述反向导通型半导体开关的栅极控制信号的相位，以与所述交流电源的频率同步地，交替地对所述反向导通型半导体开关进行接通/断开控制，

所述保护单元具有：第1电压检测部，其与所述第1电容器并联连接，检测所述第1电容器的电压；第2电压检测部，其与所述第2电容器并联连接，检测所述第2电容器的电压；第1放电电路，其与所述第1电容器并联连接且与所述第1电压检测部并联连接，由第1放电电阻和第1放电开关串联连接而成；以及第2放电电路，其与所述第2电容器并联连接且与所述第2电压检测部并联连接，由第2放电电阻和第2放电开关串联连接而成，对所述放电开关的栅极进行如下控制：在所述第1电压检测部的输出超过规定值时，使所述第1放电开关短路，经由所述第1放电电阻来释放所述第1电容器的电荷，进而，在所述第2电压检测部的输出超过规定值时，使所述第2放电开关短路，经由所述第2放电电阻来释放所述第2电容器的电荷。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的带保护电路的磁能再生开关，其中，

所述保护单元还具有电流检测部，该电流检测部***于所述交流电源与所述负载之间，检测流过所述负载的电流，

在所述电流检测部的输出超过规定值时，所述保护单元使所述反向导通型半导体开关的栅极控制信号的接通脉冲的占空比小于0.5，由此进行限流控制。

5.根据权利要求4所述的带保护电路的磁能再生开关，其中，

在所述电流检测部的输出返回规定值时，所述保护单元使所述反向导通型半导体开关的栅极控制信号的接通脉冲的占空比返回0.5，结束限流控制。

6.根据权利要求1～4中的任一项所述的带保护电路的磁能再生开关，其中，

所述保护单元对所述反向导通型半导体开关的栅极进行如下控制：在所述电压检测部的输出超过所述规定值的期间超过规定时间时，断开全部所述反向导通型半导体开关，切断电流。

7.根据权利要求1～4中的任一项所述的带保护电路的磁能再生开关，其中，

所述保护单元对所述放电开关的栅极进行如下控制：在所述电压检测部的输出超过所述规定值的期间超过规定时间时，释放所述2个电容器的电荷，使电压成为零，然后，对所述反向导通型半导体开关的栅极进行如下控制：接通全部所述反向导通型半导体开关，使电流处于双向导通状态。

8.根据权利要求1～3中的任一项所述的带保护电路的磁能再生开关，其中，

所述保护单元还具有电流检测部，该电流检测部***于所述交流电源与所述负载之间，检测流过所述负载的电流，

所述保护单元对所述反向导通型半导体开关的栅极进行如下控制：在所述电流检测部的输出超过规定值时，断开全部所述反向导通型半导体开关，切断电流。

9.根据权利要求1所述的带保护电路的磁能再生开关，其中，

所述保护单元还具有电流检测部，该电流检测部***于所述交流电源与所述负载之间，检测流过所述负载的电流，

所述保护单元对反向导通型半导体开关的栅极进行如下控制：在所述电流检测部的输出超过规定值时，仅使接通的反向导通型半导体开关断开，切断电流。

Images