SE537080C2 - Förbättrat strömställarskydd för resonansomriktare - Google Patents

Förbättrat strömställarskydd för resonansomriktare Download PDF

Info

Publication number
SE537080C2
SE537080C2 SE1250798A SE1250798A SE537080C2 SE 537080 C2 SE537080 C2 SE 537080C2 SE 1250798 A SE1250798 A SE 1250798A SE 1250798 A SE1250798 A SE 1250798A SE 537080 C2 SE537080 C2 SE 537080C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
conductor
positive
switching circuit
coupled
current
Prior art date
Application number
SE1250798A
Other languages
English (en)
Other versions
SE1250798A1 (sv
Inventor
Dan Liljengren
Oscar Haraldsson
Original Assignee
Comsys Ab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Comsys Ab filed Critical Comsys Ab
Priority to SE1250798A priority Critical patent/SE537080C2/sv
Priority to CN201380034182.8A priority patent/CN104620493B/zh
Priority to PCT/SE2013/050857 priority patent/WO2014007746A1/en
Priority to US14/413,113 priority patent/US9537394B2/en
Priority to EP13813266.7A priority patent/EP2870688B1/en
Publication of SE1250798A1 publication Critical patent/SE1250798A1/sv
Publication of SE537080C2 publication Critical patent/SE537080C2/sv

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/30—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by dynamic converters
    • H02M7/32—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by dynamic converters using mechanical contact-making and -breaking parts
    • H02M7/36—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by dynamic converters using mechanical contact-making and -breaking parts with electromagnetically-operated vibrating contacts, e.g. chopper
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4811—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode having auxiliary actively switched resonant commutation circuits connected to intermediate DC voltage or between two push-pull branches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4826—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode operating from a resonant DC source, i.e. the DC input voltage varies periodically, e.g. resonant DC-link inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/515—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/5152—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with separate extinguishing means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/515—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/523—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with LC-resonance circuit in the main circuit
    • H02M7/5233—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with LC-resonance circuit in the main circuit the commutation elements being in a push-pull arrangement
    • H02M7/5236—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with LC-resonance circuit in the main circuit the commutation elements being in a push-pull arrangement in a series push-pull arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/75—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4815—Resonant converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

En resonansbetingad elkraftsomriktare innefattande en DC-kraftkälla (DC), en positivDC-ledare (la), en negativ DC-ledare (1b), en fasledare (e), och enelkraftsomriktande enhet (2) som är kopplad mellan DC-kraftkällan (DC) ochfasledaren (e). Vidare innefattar den resonansbetingad elkraftsomriktaren enunderstödjande switchningskrets (AUX) som är kopplad mellan enmatningsanslutning på DC-kraftkällan (DC) och fasledaren (e), denresonansbetingade understödjande switchningskretsen (AUX) innefattar: minst eninduktor (L2), seriekopplad med styrorgan (Sp, Sn) för styrning av denresonansbetingade understödjande switchningskretsen (AUX), samt en förstaelektrisk säkerhetskomponent (29a) kopplad mellan den positiva DC-ledaren och denunderstödjande switchningskretsen. Varvid styrorganen (Sp, Sn) är transistorer ochzenerdiodernas (Zp, Zn) tröskelvärden är valda för att understiga den maximalablockspänningen hos transistorerna. (fig. 4)

Description

537 080 allmänhet två typer av mjuk switchning: lågspänningsswitchning och låg- strömsswitchning. Lågspänningsswitchning omfattar minimering av spänning- en eller potentialskillnaden över strömställaren före kommuteringen, medan lågströmsswitchningen omfattar minimering av strömmen igenom strömställa- ren före switchningen.
Att alstra lägre EMI-brus är i sig ett viktigt mål. I applikationer där om- riktaren eller växelriktaren är kopplad direkt till kraftledningsnätet kan EMI- brus orsaka problem som normalt sett löses genom att använda EMC-filter.
EMC-filter placeras seriekopplat med omriktaren och hanterar därmed hela strömkapaciteten. Genom att minimera EMl:et så kan EMC-filter elimineras från omriktarformgivningen.
En lösning för mjuk switchning tillhandahålls i US 5047913 (De Donck- er et al.). De Doncker föreslår att styrda strömställare används i det reso- nansbetingade understödjande switchningskretssystemet för att få bukt med problemet med switchningsförluster hos aktiva anordningar i elkraftsomrikta- re. Minskningen av förluster i elkraftsomriktarna möjliggör drift vid högre switchningsfrekvenser. De Doncker beskriver att den resonanta utspänningen kan understiga spänningen hos den motsatta skenan på grund av komponen- tresistanser, ledningsförluster hos anordningen, och bristfällig drivpotential.
Som en följd av detta kan nästa switchningsanordning som skall slås på i växelriktarpolen switchas vid resonansspänningens toppvärde och måste som en följd av detta absorbera en del switchningsförluster på grund av att den slås på vid en nollskild spänning, vilket även omfattar energin som töms ut från kondensatorn.
Införandet av en hjälpströmställare minskar resistansen som huvud- strömställarna utsätts för vid kommutering och därigenom minskar även för- lusterna i strömställaren. Hjälpströmställarens transistorelement måste emel- lertid fortfarande kommutera med en potentialskillnad över sig. lsoleringsför- mågan hos styroxiden, som är ett tunt isolerande skikt som skiljer styret från underliggande source och drain, tillhandahåller den kommuteringsresistans som styrsignalen behöver för att påverka transistorn så att den tvingas att kommuntera. I en strömställarbaserad elkraftsomriktare beror noggrannheten hos utspänningen på switchningsfrekvensen, vilket innebär att en hög switch- 537 080 ningsfrekvens är en fördel. Önskas strömställare med en hög switchnings- frekvens och låga förluster så skall en transistor som kommuterar med låga styrsignaler tillhandahållas eftersom energin hos styrsignalen blir till förluster i form av värme som utvecklas i transistorn. Oxidskiktet görs mycket tunt för att uppnå dessa egenskaper, vilket minskar den nödvändiga mängd energi som styrsignalen behöver leverera för att tvinga transistorn att kommutera.
En transistor har en högsta blockspänning, d.v.s. den spänning som transistorn i sitt blocktillstånd kan stå emot på ett driftsäkert sätt utan genom- brott. Den högsta blockspänningen beror av styroxiden. När den högsta blockspänningen överskrids finns det en risk att styroxiden ger efter och följ- aktligen mister sina isolerande egenskaper. Detta funktionsavbrott kallas ox- idgenombrott. Risken för oxidgenombrott ökar när oxidskikten görs tunnare.
Oxidbristningar är en form av oxidgenombrott som orsakas av att en hög spänning läggs över oxidskiktet. Den höga spänningen gör att den tunnaste punkten i oxidskiktet uppvisar ett dielektriskt genombrott och därmed gör det möjligt för ström att flyta. Strömmen som flyter orsakar en uppvärmning av oxidskiktet, vilket möjliggör för ytterligare ström att flyta igenom oxidskiktet och därmed leder till en kedjereaktion som till slut får halvledarmaterialet att smälta och därmed kortsluter transistorn. Det skulle därför vara fördelaktigt att åstadkomma en krets för en elkraftsomriktare som minskar risken för att po- tentialskillnaden över transistorelementet överstiger transistorns högsta blockspänning.
Sammanfattning En resonansbetingad elkraftsomriktare tillhandahålls. Den resonansbe- tingade el kraftsomriktaren innefattar en DC-kraftkälla, en positiv DC-ledare, en negativ DC-ledare, en fasledare, och en elkraftsomriktande enhet som är kopplad mellan DC-kraftkällan och fasledaren. Den elkraftsomriktande enhe- ten innefattar en första strömställare som är kopplad mellan den positiva DC- ledaren och fasledaren och en första diod som är parallellkopplad med den första strömställaren, en andra strömställare som är kopplad mellan den ne- gativa DC-ledare och fasledaren och en andra diod som är parallellkopplad med den andra strömställaren, och en resonansbetingad understödjande 537 080 switchningskrets som är kopplad mellan en matningsanslutning på DC- kraftkällan och fasledaren. Den resonansbetingade understödjande switch- ningskretsen innefattar minst en induktor som är seriekopplad med styrorgan för styrning av den resonansbetingade understödjande switchningskretsen, samt hjälpdioder som är seriekopplade med styrorganen.
Den resonansbetingade elkraftsomriktaren innefattare vidare en första elektrisk säkerhetskomponent som är kopplad mellan den positiva DC- ledaren och den understödjande switchningskretsen, varvid den första elekt- riska säkerhetskomponenten är anpassad att: förhindra strömmen från att flyta från den positiva DC-ledaren till fasledaren, och att tillåta ström att flyta från den understödjande switchningskretsen till den positiva DC-ledaren när potentialskillnaden mellan den positiva DC-ledaren och den understödjande switchningskretsen överstiger ett tröskelvärde. Elkraftsomriktaren innefattar även en andra elektrisk säkerhetskomponent som är kopplad mellan den ne- gativa DC-ledaren och den understödjande switchningskretsen, varvid den andra elektriska säkerhetskomponenten är anpassad att: förhindra strömmen från att flyta från den understödjande switchningskretsen till den negativa DC- ledaren, och att tillåta ström att flyta från den negativa DC-ledaren till den un- derstödjande switchningskretsen när potentialskillnaden mellan den positiva DC-ledaren och fasledaren överstiger ett tröskelvärde.
De elektriska säkerhetskomponenterna skyddar således den under- stödjande switchningskretsen från kvarvarande strömmar i fasledaren så att toppspänningar i fasledaren överförs till den positiva respektive negativa leda- ren. Enligt en utföringsform innefattar den första och andra elektriska säker- hetskomponenten en kombination av en diod och en zenerdiod. Dioden är anpassad att förhindra strömmen från att flyta i en riktning och zenerdioden är anpassad att förhindra strömmen från att flyta när potentialskillnaden över den understiger tröskelspänningen.
Enligt en utföringsform utgörs styrorganen av transistorer, varvid trös- keln för att tillåta strömmen att flyta igenom zenerdioden understiger transis- torernas högsta blockspänning. Tröskelspänningen kan vara mellan 5 och 50 V, och företrädesvis mellan 10 och 25 V. 537 080 Enligt en utföringsform är transistorerna IGBT-transistorer som är i stånd att hantera höga switchningsfrekvenser.
Enligt en utföringsform är styrorganen och den första och andra säker- hetskomponenten integrerade i en enda kapsel, vilket minskar ledarnas längd och därmed det EMI som alstras av kretssystemet. Den enda kapseln kan vidare innefatta kylorgan för kylning av de elektriska säkerhetskomponenter- na.
Enligt en utföringsform är den resonansbetingade elkraftsomriktaren enligt någon av utföringsformerna anpassad att användas i ett aktivt filter.
Vänligen observera att alla utföringsformer kan kombineras på vilket sätt som helst.
Kort beskrivning av fiqurerna Uppfinningen beskrivs i det följande med hänvisning till den exemplifie- rande ritningen, på vilken: fig. 1 visar en krets för resonansswitchning dä utströmmen switchas från att ha spänningen +V till spänningen -V, fig. 2 visar en krets för resonansswitchning då utströmmen switchas från att ha spänningen +V till spänningen -V, fig. 3 visar en krets för resonansswitchning då utströmmen switchas från att ha spänningen -V till spänningen +V, fig. 4 visar en krets för resonansswitchning då utströmmen switchas från att ha spänningen -V till spänningen +V då en första och andra elektrisk säkerhetskomponent innefattande zenerdioder tillhandahålls.
Detaljerad beskrivning I det följande kommer grundprinciperna för en elkraftsomriktare som använder resonansswitchning beskrivas med hjälp av ett exempel i enlighet med den åtföljande ritningen. Det torde inses att ritningen endast är åskådlig- görande och inte på något sätt begränsar omfånget.
I de följande figurerna åskådliggörs elkraftsomriktaren för användning i ett aktivt filter. Denna utföringsform skall emellertid endast ses som ett exem- pel på en användning av elkraftsomriktaren. Uppfinningskonceptet som defi- 537 080 nieras av kravet kan användas i alla applikationer i vilka en resonansbetingad elkraftsomriktare behövs, exempelvis i en elkraftstransformator.
Elkraftsomriktaren i ett aktivt filter alstrar en kompenserande ström som kompenserarför laster i ett övertonsalstrande elkraftsystem. Genom att minska övertonerna i det elektriska systemet så minskar den reaktiva effekten som genereras och därmed minskas den totala energiförbrukningen. En ytter- ligare beskrivning av detaljerna hos ett aktivt filter återfinns till exempel i US7289888 (Persson). Det elektriska systemet illustreras i de följande figu- rerna av en energiförsörjningsenhet 4, en energiförbrukande last 5 och en huvudledare 3 för överföring av energi från energiförsörjningsenheten 4 till den energiförbrukande enheten 5. Energiförsörjningsenheten 4 kan till exem- pel utgöras av elkraftledningsnätet eller en transformator som minskar spän- ningen som tillförs från huvudkraftledningsnätet. Den energiförbrukande las- ten 5 kan till exempel utgöras av en elektrisk motor. Det aktiva filtret innefattar vidare en induktor L1 som omvandlar pulserna som alstras av strömställarna Gp, Gn till en kontinuerlig singal genom att motarbeta förändringarna i ström igenom filtret genom att utveckla en spänning över induktorn som är propor- tionell mot förändringstakten hos strömmen i enlighet med I = -LdU/dt. För ett aktivt filter som är konfigurerat för ström på 100 A är induktorn typiskt en in- duktor i spannet 200-250 uH.
Fig. 1 visar ett kretssystem för resonansbetingad elkraftsomriktning.
Den resonansbetingade omriktaren innefattar två huvudswitchningsanord- ningar Gp, Gn per fas. Switchningsanordningarna har dioder Dp, Dn som är parallellkopplade med desamma. Den resonansbetingade omriktaren innefat- tar vidare en understödjande resonansbetingad kommuteringskrets AUX som omfattar understödjande switchningsanordningar Sp, Sn som är seriekoppla- de med en induktor L2 och en matningskoppling på DC-kraftkällan (DC). DC- kraftkällan utgörs enligt den här utföringsformen av två kondensatorer C. I den föredragna utföringsformen används |GBT:er både till huvudswitchning- sanordningen Gp, Gn och de understödjande switchningsanordningarna Sp, Sn på grund av de höga switchningsfrekvenserna, men uppfinningen är lämp- lig för användning i många andra typer av switchningsanordningar som till exempel (men inte begränsat till) BJT:er, MOSFET:er, MCT:er, GTO:er eller 537 080 lGCT:er. Fig. 1 beskriverfunktionen hos resonansströmställaren då ström ej flyter igenom L1. Extra ström behöver matas till det resonansbetingade krets- systemet för att tvinga spänningen från +V till -V. Som ett första steg i switch- ningscykeln slås strömställaren Gp av så att strömmen upphör att flyta från den positiva ledningen +V. Spänningen i fasledaren e är nu den positiva spänningen +V och det flyter ingen ström. Strömställaren Sp slås på och slu- ter resonanskretsen så att kondensatorn C laddas ur över strömställaren Sp och dioden DAp och ändrar således potentialskillnaden över induktorn L2, vilket alstrar en ström som leveras till fasledaren e. Resonanskretsen levere- rar följaktligen en tvingande potential som är väsentligen lika med halva spänningsskillnaden mellan -V och +V. Detta får potentialen ifasledaren e att sjunka mot -V, vid vilken tidpunkt det börjar flyta ström genom den negativa dioden Dn. Vid denna tidpunkt minskas potentialskillnaden över den negativa strömställaren Gn så att Gn kan switchas utan någon spänning däröver.
Fig. 2 visar ett andra alternativ i vilket syftet är att switcha från +V till -V när en ström flyter igenom L1. Den positiva strömställaren Gp slås av, men eftersom L1 innehåller ett magnetiskt fält kommer den att fortsätta att driva en ström l2 igenom den från dioden Dn vilket gör att spänningen i huvudledning- en faller från +V till -V så att spänningsskillnaden för strömställaren Gn mins- kas så att strömställaren Gn kan switchas med mycket små förluster.
Fig. 3 visar en tredje switchningsfunktion enligt vilken switchningen utförs från -V till +V när en ström flyter igenom induktorn L1. Den negativa strömställaren Gn slås i ett första steg av, vilket får en ström l3 som drivs av induktorn L1 att fortsätta att flyta igenom den negativa dioden Dn (betecknad som diodström Id). Sp slås på och sluter därmed hjälpkretsen AUX som lad- dar ur C och driver en hjälpström I4 med hjälp av L2, vilket får spänningen att stiga i huvudledningen och sålunda minska spänningsskillnaden över Gp. När spänningen över Gp närmar sig noll så slås Gp på varvid strömmen lGp bör- jar flyta igenom Gp och Sp slås av.
Fig. 4 visar en utföringsform av kretssystemet hos en resonansbeting- ad elkraftsomriktare liknande de utföringsformer som beskrivs med hänvis- ning till figurerna 1-3. Elkraftsomriktaren som visas i fig. 4 innefattar dessutom elektriska säkerhetskomponenter 29a, 29b som innefattar säkerhetsdioder 537 080 Dp2, Zp, Dn2, Zn som är anpassade att skydda AUX-strömställaren från kvarvarande strömmar hos fasledningen e så att positiva och negativa topp- spänningar i fasledningen e överförs till den positiva respektive negativa leda- ren 10a, 10b så att de inte anbringar en stor påkänning på AUX- strömställarens komponenter. Dioden Dp2 förhindrar ström från att flyta från den positiva ledaren 1a till fasledaren e, varvid dioden Dn2 i analogi till detta förhindrar ström från att flyta från den negativa ledaren 1b till fasledaren e.
En zenerdiod Zp är seriekopplad med dioden Dp2. Zenerdioder (eller lavindioder) är dioder som medger ström att flyta fritt i framriktningen och även i backriktningen när spänningen överstiger ett visst värde. Detta värde kallas genombrottsspänning, ”zenerknäspänning” eller ”zenerspänning”. Alla dioder har i grund och botten en genombrottsspänning, även om en zenerdi- od är särskilt utformad att ha en kraftigt minskad genombrottsspänning, den så kallade zenerspänningen. En zenerdiod kommer att uppvisa ett kontrolle- rat genombrott och möjliggöra för ström att hålla spänningen över zenerdio- den nära zenergenombrottsspänningen. I utföringsformen som visas i fig. 4 har zenerdioden en genombrottsspänning på 15 V så att spänningen i fasle- daren e inte överstiger spänningen iden positiva ledaren med mer är 15 V. I analogi till den positiva zenerdioden Zp tillhandahålls en negativ zenerdiod Zn som har samma genombrottsspänning på 15 V. Den negativa zenerdioden Zn säkerställer att spänningen i fasledaren e inte blir lägre än 15 V under spän- ningen hos den negative ledaren 1b. Eftersom zenerdiodens genombrotts- spänning är lägre än den högsta blockspänningen hos hjälpströmställarens transistorer kommer säkerhetsdioderna Dp2, Zp, Dn2, Zn att leda alla poten- tiellt skadliga strömmar från hjälpfasledaren ftill den positiva respektive nega- tiva ledaren.
När hjälpströmställarens AUX diod DAp (och analogt för DAn) switchas från det ledande tillståndet till ett oledande tillstånd har den på grund av ladd- ningsbärare som är lagrade i dioden DAp en intrinsisk återhämtningstid. Ef- tersom dioden DAp inte uppnår sin blockkapacitet förrän laddningen är utar- mad iövergången, kan dioden leda i backriktningen under återhämtningsti- den. Detta får ström att flyta igenom hjälpfasledaren f i backriktningen och igenom dioden DAp. Den här tiden kallas efterledningstid och ligger typiskt 537 080 mellan 10 och 1000 ns. Efterledningsströmmen som flyter i hjälpfasledaren f orsakar en spänningsuppbyggnad i induktorn L2 eftersom den motverkar det plötsliga avbrottet i strömmen som flyter i hjälpfasledaren f. Spänningsupp- byggnaden i hjälpfasledaren f kan växa till nivåer som kan överstiga den högsta blockspänningen hos hjälpströmställarens AUX transistorer och där- igenom skada hjälpströmställaren AUX. I kretsen som visas i fig. 4 kommer spänningar som överstiger genombrottsspänningen hos den positiva zenerdi- oden Zp, t.ex. 400 V iden positiva ledaren 1a +15 V i genombrottsspänning hos zenerdioden Zp, d.v.s. 415 V, eller understiger genombrottsspänningen hos den negativa zenerdioden Zn, t.ex. -400 V i den negativa ledaren 1b -15 Vi genombrottsspänning hos zenerdioden Zn, d.v.s. -415 V, att ledas till den positiva respektive negativa ledaren. Eftersom den högsta blockspänningen hos hjälpströmställarens AUX transistorer är högre än 15 V så finns inga kvarvarande spänningar som kan vara skadliga för hjälpströmställarens tran- sistorer kvar i kretsen. Zenerdioder är också fördelaktiga eftersom de bryter igenom väldigt snabbt och därför omedelbart leder efterledningsströmmen och därmed i stor utsträckning eliminerar uppbyggnaden av en hög spänning i hjälpfasledaren f. Eftersom efterledningsströmmen omedelbart leds igenom zenerdioderna sä orsakar inte efterledningsströmmen en uppbyggnad av övertonsalstrande EMI, varvid detta utförande av kretsen med zenerdioderna sålunda minskar EMI. Eftersom zenerdioderna leder stora strömmar så alst- ras värme i zenerdioderna, vilket kan göra att zenerdioderna behöver kylas för att inte skadas av temperaturökningen.
De två diodparen 29a, 29b som innefattar dioderna Dp2, Dn2 och ze- nerdioderna Zp och Zn innefattas enligt utföringsformen i fig. 4 i samma kap- sel 26 som hjälpströmställaren AUX. Eftersom elkraftsomriktaren enligt de beskrivna utföringsformerna är anpassad att drivas vid förhållandevis höga frekvenser, som t.ex. 400-500kHz, så alstrar kretssystemets ledare induktorer som i sin tur är i resonans med kretssystemets kapacitiva komponenter. Ge- nom att tillhandahålla komponenterna som en IC-krets i samma kapsel 26 så kan komponenter miniatyriseras, vilket gör kretsens ledare så korta som möj- ligt och därmed möjliggör optimering av komponenturvalet så att inducerad 537 080 induktans och EMI-brus minskas. Dessutom kan positionering och urval av komponenter utföras med större precision i en automatiserad IC-tillverkning.
Hjälpinduktorn L2 kan vara en olinjär induktor med en induktans som är en funktion av den pålagda strömmen. Den olinjära induktorn kan vara ba- serad på mättning av magnetiskt material som till exempel induktorns järn- kärna. Järnkärnan magnetiseras av uppbyggnaden av induktorns magnetiska fält från strömmen som passerar igenom spollindningarna. Järnkärnans mätt- ning gör den resulterande induktansen till en funktion av den pålagda ström- men. När den understödjande switchningsanordningen Sp sluter och bringar ström att flyta från kondensatorn C igenom hjälpströmställaren AUX så blir induktorn mättad vilket innebär att den reaktiva komponenten elimineras och att vidare uppbyggnad av övertoner i kretssystemet minskas. I detta exempel är efterledningsströmmen lägre än mättnadsströmmen och därmed arbetar induktorn L2 i sitt linjära område som dämpar strömmen och alltså minskar efterledningsströmmen som flyter igenom hjälpströmställaren AUX. Resultatet är att efterledningsströmmens derivata kommer att vara lägre i det område där induktorn L2 är aktiv. Eftersom efterledningsströmmens derivata kommer att vara mindre så kommer den sammanlagda efterledningsladdningen som måste tvingas från dioden att vara mindre. Dessutom kommer oscillationerna i strömmen som matas till fasledningen från DC-kraftkällan att vara lägre, vil- ket resulterar i en stabilare kompenserande ström från strömställaren.
Vänligen observera att de beskrivna utföringsformerna inte begränsar uppfinningens omfång eftersom kretssystemet kan anpassas på vilket som helst sätt inom omfånget av de vidhängande kraven.

Claims (11)

1. 0 15 20 25 30 537 080 PATENTKRAV Resonansbetingad elkraftsomriktare innefattande: en DC-kraftkälla (DC), en positiv DC-ledare (1a), en negativ DC-ledare (1b), en fasledare (e), och en elkraftsomriktande enhet (2) som är kopplad mellan DC-kraftkällan (DC) och fasledaren (e), varvid den elkraftsomriktande enheten innefattar: en första strömställare (Gp) som är kopplad mellan den positiva ledaren (1a) och fasledaren (e) och en första diod (Dp) som är paral- lellkopplad med den första strömställaren (Gp), en andra strömställare (Gn) som är kopplad mellan den negativa DC-ledaren (1 b) och fasledaren (e) och en andra diod (Dp) som är pa- rallellkopplad med den andra strömställaren (Gn), och en resonansbetingad understödjande switchningskrets (AUX) som är kopplad mellan en matningsanslutning på DC-kraftkällan (DC) och fasledaren (e), varvid den resonansbetingade understödjande switchningskretsen (AUX) innefattar: minst en induktor (L2) som är seriekopplad med styrorgan (Sp, Sn) för styrning av den resonansbetingade understödjande switchningskretsen (AUX), samt hjälpdioder (DAp, DAn) som är seriekopplade med styrorganen (Sp, Sn), en första elektrisk säkerhetskomponent (29a) kopplad mellan den positiva DC-ledaren och den understödjande switchningskretsen, varvid den första elektriska säkerhetskomponenten är anpassad att: förhindra ström från att flyta från den positiva DC-ledaren till fasledaren, och möjliggöra för ström att flyta från den understödjande switchningskretsen till den positiva DC-ledaren då potentialskillnaden mellan den positiva DC-ledaren och den 11 10 15 20 25 30 537 080 understödjande switchningskretsen överstiger ett tröskelvärde, och en andra elektrisk säkerhetskomponent (29b) kopplad mellan den negativa DC-ledaren och den understödjande switchningskretsen, varvid den andra elektriska säkerhetskomponenten är anpassad att: förhindra ström från att flyta från den understödjande switch- ningskretsen till den negativa DC-ledaren, och möjliggöra för ström att flyta från den negativa DC-ledaren till den understödjande switchningskretsen när potentialskillnaden mellan den positiva DC-ledaren och fasledaren överstiger ett tröskelvärde, varvid den första och den andra elektriska säkerhetskretsen var och en innefattar en kombination av en diod (Dp2, Dn2) och en zenerdiod (Zp, Zn), varvid dioden är anpassad att förhindra strömmen från att flyta i en riktning och varvid zenerdioden är anpassad att förhindra ström från att flyta i en riktning när potentialskillnaden däröver understiger tröskelvärdet, kännetecknat av att styrorganen (Sp, Sn) är transistorer och att zenerdiodernas (Zp, Zn) tröskelvärden är valda för att understiga den maximala blockspänningen hos transistorerna.
2. Resonansbetingad elkraftsomriktare enligt krav 1, varvid transistorerna är IGBT-transistorer.
3. Resonansbetingad elkraftsomriktare enligt något av de föregående kraven, varvid tröskelspänningen är mellan 5 och 50 V.
4. Resonansbetingad elkraftsomriktare enligt något av de föregående kraven, varvid tröskelspänningen är mellan 10 och 25 V.
5. Resonansbetingad elkraftsomriktare enligt något av de föregående kraven, varvid induktorn (L2) innefattar en olinjär induktor. 12 10 537 080
6. integrerad krets i en enda kapsel, innefattande: styrorganen (Sp, Sn) med särdragen som anges i krav 1, och de första och andra säkerhetskom- ponenterna (29a, 29b) med särdragen som anges i krav 1.
7. Integrerad krets enligt krav 6, varvid den enda kapseln vidare innefattar kylorgan som är anpassade att kyla de första och andra elektriska säkerhets- komponenterna.
8. Resonansbetingad elkraftsomriktare enligt något av de föregående kraven, avsedd att användas i ett aktivt filter. 13
SE1250798A 2012-07-06 2012-07-06 Förbättrat strömställarskydd för resonansomriktare SE537080C2 (sv)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE1250798A SE537080C2 (sv) 2012-07-06 2012-07-06 Förbättrat strömställarskydd för resonansomriktare
CN201380034182.8A CN104620493B (zh) 2012-07-06 2013-07-03 改善的切换保护电流辅助谐振电路
PCT/SE2013/050857 WO2014007746A1 (en) 2012-07-06 2013-07-03 Improved switch protection i auxiliary resonant circuit
US14/413,113 US9537394B2 (en) 2012-07-06 2013-07-03 Switch protection i auxiliary resonant circuit
EP13813266.7A EP2870688B1 (en) 2012-07-06 2013-07-03 Improved switch protection i auxiliary resonant circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE1250798A SE537080C2 (sv) 2012-07-06 2012-07-06 Förbättrat strömställarskydd för resonansomriktare

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SE1250798A1 SE1250798A1 (sv) 2014-01-07
SE537080C2 true SE537080C2 (sv) 2014-12-30

Family

ID=49882357

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE1250798A SE537080C2 (sv) 2012-07-06 2012-07-06 Förbättrat strömställarskydd för resonansomriktare

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9537394B2 (sv)
EP (1) EP2870688B1 (sv)
CN (1) CN104620493B (sv)
SE (1) SE537080C2 (sv)
WO (1) WO2014007746A1 (sv)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE537227C2 (sv) * 2012-07-06 2015-03-10 Comsys Ab Resonansomriktare
CN112751494B (zh) * 2020-12-31 2022-04-19 国创移动能源创新中心(江苏)有限公司 辅助谐振换流极变换器的控制方法、控制装置
US20240146212A1 (en) * 2022-10-27 2024-05-02 Abb Schweiz Ag Method for Boosting Current Compensation in Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter (ARCPI) with Saturable Inductor

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6459213B1 (en) * 1978-03-20 2002-10-01 Ole K. Nilssen Ballast for parallel-connected lamps
US5047913A (en) 1990-09-17 1991-09-10 General Electric Company Method for controlling a power converter using an auxiliary resonant commutation circuit
US5172309A (en) * 1991-08-07 1992-12-15 General Electric Company Auxiliary quasi-resonant dc link converter
JP3582545B2 (ja) * 1995-06-23 2004-10-27 株式会社安川電機 ブリッジ形電力変換装置
JP3255147B2 (ja) * 1998-06-19 2002-02-12 株式会社デンソー 絶縁ゲート型トランジスタのサージ保護回路
SE520005C2 (sv) * 2001-09-21 2003-05-06 Abb Ab Strömriktare samt förfarande för styrning av en strömriktare
US8294544B2 (en) * 2008-03-14 2012-10-23 Volterra Semiconductor Corporation Method for making magnetic components with M-phase coupling, and related inductor structures
CN2834002Y (zh) * 2005-03-22 2006-11-01 日宝电子股份有限公司 改进的被动式电力滤波电路
WO2010119514A1 (ja) * 2009-04-14 2010-10-21 三菱電機株式会社 電源装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014007746A1 (en) 2014-01-09
US20150207408A1 (en) 2015-07-23
EP2870688B1 (en) 2018-10-31
US9537394B2 (en) 2017-01-03
EP2870688A4 (en) 2017-03-08
EP2870688A1 (en) 2015-05-13
CN104620493A (zh) 2015-05-13
CN104620493B (zh) 2019-11-15
SE1250798A1 (sv) 2014-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10367407B2 (en) Method and device for controlling a voltage-controlled power semiconductor switch that can be switched off again
CN110337784B (zh) 半导体装置及电力转换***
US9007102B2 (en) Active gate drive circuit
US7368972B2 (en) Power transistor control device
EP2858195B1 (en) Converter circuit
JP2008109775A (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータおよびその制御方法
EP0439586A1 (en) Switching circuit employing an inductor and igbt devices
WO2015045531A1 (ja) 絶縁ゲート型半導体装置
US20090001410A1 (en) Driver Circuit and Electrical Power Conversion Device
CN111771321B (zh) 半导体开关控制电路以及开关电源装置
SE537080C2 (sv) Förbättrat strömställarskydd för resonansomriktare
EP2870687B1 (en) Converter having auxiliary resonant circuit with current discriminating inductor
JP2006197763A (ja) 電圧駆動型半導体スイッチング素子の制御装置
US20150372675A1 (en) Method of switching a semiconductor device
Ting et al. Digital control of IGBTs for module shutdown in input-series and output-parallel connected modular DC-DC converter
JP6274348B1 (ja) 駆動回路および半導体モジュール
JP6004988B2 (ja) 電力用半導体素子のゲート制御装置
JP2009207294A (ja) 電圧駆動型半導体素子の過電圧保護装置
JPH10209832A (ja) 半導体スイッチ回路
KR102389810B1 (ko) 스너버 회로
Cyr Use of Parasitic Elements to Optimize the IGBT Commutation Process
JPH02223379A (ja) 電力変換装置
JP2016167941A (ja) 蓄電装置
JP2001128442A (ja) ゲート駆動回路とその制御方法