[发明专利]改进效率的桥式电力变换器

说明书

本发明涉及使用自动断开元件并具有改进的驱动和保护特性的桥式电力逆变器。

往往将IGBT（绝缘栅双级晶体管）用作由晶体管构成的电压型逆变器的逆变器电桥的开关元件。

图2表示使用IGBT的驱动电压V_GE（栅-发射极电压）作为参数的V_CE（集电极-发射极电压）对Ic（集电极电流）特性曲线图。晶体管或功率元件的特征是当集电极-发射极电压V_CE超过某一预定值时，集电极电流Ic基本恒定。换句话说，这种晶体管式功率元件具有一种恒定电流特性。

然而，晶体管式功率元件相对于给定的恒定电流来说，具有较高的电压V_CE，即具有大的直流电阻。

可用MCT（.MOS控制的闸流晶体管）构成这种逆变器电桥的开关元件。在这种情况下，将用以抑制电流增长率的电抗器连接在直流电源与逆变器电桥之间，并将用以抑制由该电抗器产生的浪涌电压的高速二极管连接在它们之间与电抗器并联。

如图4所示，MCT有PNP和NPN晶体管构成的闸流晶体管结构。当选通信号接通ONFET时，NPN晶体管接通，PNP晶体管被接通。因此，MCT得以自保持从而完成等效于闸流晶体管的操作，并在阳极和阴极之间呈现低的电压降特性。当选通信号接通OFF    FET时，短路了PNP晶体管的基极-发射极电路从而断开PNP晶体管，同时NPN晶体管也被断开，由此中止闸流晶体管操作。图5表示MCT的电路符号。

图6表示MCT的阳极电流I_A对阳极-阴极电压V_A-K的特性曲线图。 如图7所示，MCT断开时几乎无电流流过，而接通MCT时电压降呈现低值。此外，和晶体管式元件不同，MCT没有恒定电流特性，因此，当它接通时可把它看作低电阻的电阻器。

在使用晶体管式元件作为逆变器电桥开关元件的电压型逆变器中，如果负载电动机端子被短路或该电动机产生层间短路时，如图3A和3B所示可实现保护性操作。也就是说，在时刻t₁（图3B）接通晶体管后，在时刻t₂（图3A）检出一过电流从而断开驱动信号，由此到时刻t₃（图3A）为止断开受晶体管恒定电流特性所抑制的故障电流。

然而，由于晶体管式元件如图2所示，对于大的Ic有很大的电压降V_CE（即，直流电阻很大），所以在逆变器部分中功耗很大造成低效率。

尽管象MCT那样的闸流晶体管式元件即使流过大的I_A其电压降V_AK也是很小的，但该元件没有电流抑制效应（恒定电流特性）。因此，将一电抗器插入逆变器的直流电路以抑制在电流量值方面的增长率，并在电流过分增大之前断开驱动信号。在图7A和7B中示出上述操作。作为确保断开操作上限的最大电流Ioff_max存在于MCT之中，MCT必须由该最大电流或比其小的电流使之断开。

不用电抗器时，当电动机端子被短路时所得到的电流如图7A中虚线所示。在这种情况下，由于电流迅速上升，故而无法在达到电流Ioff_max之前断开MCT。

当插入一电抗器时，如图7A中实线所示电流的前沿被抑制。因此，如果在时刻t₂（图7B）断开驱动信号，在时刻t₃（图7A）可将电流置为零。

虽然MCT被接通时，因为电压降很小所以具有高效率，但它需要电抗器和用以抑制浪涌电压的高速二极管。此外，由于该电抗器必须有很大的容量以便即使有过电流也不至于饱和，因此就不可能经济地 设计具有小或中等容量的逆变器。

同时，电压型逆变器的主电路和驱动器通常将IGBT和诸如MOSFET、双极晶体管以及MCT之类的自熄灭（self_extinguishing）元件用作逆变器电桥元件。例如，这样安排电路使得直流功率输出经由一快速熔断器供给晶体管电桥，通过电桥的开关动作将直流功率转换成交流功率，将将经转换的电力供给负载。

上述的晶体管电桥由IGBT构成三相电桥。借助于从一独立的驱动电源把驱动信号供给IGBT的栅极而驱动在正侧的各个IGBT。另一方面，在负侧的IGBT的发射极是公共连接的，可从公共驱动电源把选通驱动信号供给各IGBT的栅极。