改进的开关电路和改进的功率变换系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种改进的开关电路和改进的功率变换系统。该开关电路包括切换装置、开关驱动器、缓冲器电路和电源电路；该电源电路与缓冲器电路形成与切换装置并联的串联电路，电源电路包括具有被与缓冲器耦合的整流器的第一变换器电路、被与通过整流器创建的第一DC总线耦合的电源存储装置以及具有隔离DC-DC变换器的第二变换器电路，该隔离DC-DC变换器提供隔离主DC输出来对开关驱动器进行供电。该功率变换系统包括，用于接收输入电功率的输入；用于提供输出电功率的输出；和切换系统，其包括多个开关电路，开关电路被与输入和输出耦合以根据多个开关控制信号选择性地从输入向输出提供功率。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本公开大致涉及电功率变换，并且更具体地涉及用于功率变换器的自供电开关驱动器系统。
技术介绍
功率变换系统在各种应用中被用来将电功率从一种形式和/或电平，无论是交流 (AC)还是直流(DC)，变换成另一种形式和/或电平(AC或DC)，诸如高功率电机驱动中使用的设有AC输入功率的脉宽调制(PWM)电流源整流器被选择性地切换为创建DC输出总线电压，根据该DC输出总线电压来驱动负载。功率变换器可包含用于不同类型变换应用的多个级，诸如用于电机的AC/DC/AC驱动，其中，首先将给定频率和电压的输入AC功率变换成DC 总线功率，在第二级中选择性地切换DC总线功率以创建各种电压和/或频率的单相或多相 AC输出功率。这种类型的变换器尤其适用于在需要可变速度控制的工业应用中以变化的电机负载条件驱动电机。在一个或更多个变换器级中对输入和输出功率进行受控切换时，功率开关经历了高压和高电流，其中，基于半导体的切换通常用于以相对高的频率切换功率。 切换装置的控制端子和门极需要门极驱动器电路来生成切换信号，这些切换信号在功率变换应用中启动用于受控操作的功率开关。在高压功率变换应用中，需要借助与系统接地隔离的功率来操作门极驱动器电路，因为输入和输出电压可能是几千伏或更高。传统的功率变换器通常采用单独的隔离DC功率源来对门极驱动器电路供电。然而，这些驱动器功率源和隔离变压器占据了宝贵的空间，显著增加了功率变换系统的成本，尤其针对门极换流晶闸管(GCT)或集成门极换流晶闸管(IGCT)开关操作的中高电压系统更是如此。因此，需要一种改进的功率变换系统和门极驱动器电源，从而能够以较低成本提供隔离门极驱动器功率，而不用添加大型外部电源。
技术实现思路
下面将概述本公开的各个细节以便于基本的理解，但是这样的概述并不是对本公开的全面概括，并且既不旨在认定本公开的某些元素，也不旨在描绘其范围。相反，这个概述的主要目的是在下文的更详细描述之前对本公开的一些概念以简化的方式进行陈述。通过提供一种改进的自供电电源(SPS)实现了降低功率变换系统成本和大小的目标，这种改进的自供电电源可从与功率切换装置相关联的缓冲器电路获得能量，并生成用于门极驱动器的隔离DC电压。SPS和缓冲器在切换装置端子之间形成串联电路，从而让缓冲器电路将充电电流传输到SPS中的存储装置，而开关驱动器功率源自于该存储装置。本技术提供了一种开关电路，用于选择性地控制功率变换器的第一和第二电路节点间的电流传导，该开关电路包括具有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置，或者具有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且切换装置具有用于每个切换装置的控制端子，控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作切换装置，用于控制第一和第二电路节点间的电流传导；开关驱动器，其具有被与切换装置的控制端子耦合的输出端子和用于接收功率的至少一个功率端子，开关驱动器用于使用来自至少一个功率端子的功率来根据所接收的开关控制信号提供切换信号；缓冲器电路，其具有缓冲器存储装置以及被与切换装置的正极和负极节点耦合的第一和第二缓冲器端子；和电源电路，其在正极和负极节点之间与缓冲器电路形成串联电路，该串联电路与切换装置并联。电源电路包括第一变换器电路，其设有被耦合到缓冲器电路的全桥整流器以及被与通过整流器创建的第一DC总线耦合的电源存储装置；和第二变换器电路，其设有隔离DC-DC变换器，隔离DC-DC变换器接收第一 DC总线并提供隔离的主DC输出，以向开关驱动器提供电功率用于操作开关驱动器。第一变换器电路可包括第一变换器切换装置，与全桥整流器耦合；二极管，耦合在第一变换器切换装置和电源存储装置之间；和第一变换器控制电路，用于控制第一变换器切换装置以调节第一 DC总线。第二变换器电路的隔离DC-DC变换器可提供辅助DC输出，并且第一变换器控制电路可通过辅助DC输出被供电。开关电路可进一步包括诊断电路，诊断电路在操作上被与第一变换器电路耦合以监视第一 DC总线，并且在操作上被与第二变换器电路耦合以监视主DC输出。诊断电路可通过辅助DC输出被供电。第一变换器电路可包括被与全桥整流器耦合的分流器以感测缓冲器电流，并且诊断电路可在操作上被与分流器耦合以监视缓冲器电流。诊断电路可包括光学输出，光学输出提供通过诊断电路检测出的至少一个故障情形的编码视觉指示。诊断电路可包括诊断控制输出，诊断控制输出提供指示通过诊断电路检测出的至少一个故障情形的信号。本技术还提供了一种开关电路，用于选择性控制功率变换器的第一和第二电路节点间的电流传导，该开关电路包括具有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置，或者设有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且切换装置具有控制端子，控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作切换装置，用于控制第一和第二电路节点间的电流传导；开关驱动器，其具有被与切换装置的控制端子耦合的输出端子和用于接收功率的至少一个功率端子，开关驱动器用于使用来自至少一个功率端子的功率来根据所接收的开关控制信号提供切换信号；缓冲器电路，其具有缓冲器存储装置以及第一和第二缓冲器端子，其中缓冲器端子中的一个被与切换装置的正极节点耦合；和电源电路，其与缓冲器电路形成串联电路，该串联电路与切换装置并联。电源电路包括第一变换器电路，其设有被耦合到缓冲器电路的整流器以及被与通过整流器创建的第一 DC总线耦合的电源存储装置；第二变换器电路，其设有隔离DC-DC变换器，隔离DC-DC变换器接收第一 DC总线并提供隔离的主DC输出，以向开关驱动器提供电功率用于操作开关驱动器；和诊断电路，其在操作上被与第一和第二变换器电路中的至少一个变换器电路耦合，以监视开关电路的至少一种情形。本技术进一步提供了一种功率变换系统，包括用于接收输入电功率的输入； 用于提供输出电功率的输出；和切换系统，其包括多个开关电路，开关电路被与输入和输出耦合以根据多个开关控制信号选择性地从输入向输出提供功率。各开关电路包括具有被分别与第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置，或者设有被分别与第一和第二电路节点连接的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且切换装置具有控制端子，控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作切换装置，用于控制第一和第二电路节点间的电流传导；开关驱动器，其具有被与切换装置的控制端子耦合的输出端子和用于接收功率的至少一个功率端子，开关驱动器用于使用来自至少一个功率端子的功率来根据所接收的开关控制信号提供切换信号；缓冲器电路，其具有缓冲器存储装置以及第一和第二缓冲器端子，缓冲器端子中的一个被与切换装置的正极节点耦合；和电源电路，其与缓冲器电路形成串联电路，该串联电路与切换装置并联。电源电路包括第一变换器电路，其设有被耦合到缓冲器电路的全桥整流器以及被与通过整流器创建的第一 DC总线耦合的电源存储装置；和第二变换器电路，其设有隔离DC-DC 变换器，隔离DC-DC变换器接收第一 DC总线并提供隔离的主DC输出，以向开关驱动器提供电功本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种开关电路（１１０），用于选择性地控制功率变换器（１０２）的第一和第二电路节点间的电流传导，所述开关电路（１１０）包括：具有被分别与所述第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置（１１２），或者具有被分别与所述第一和第二电路节点耦合的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且所述切换装置具有用于每个切换装置的控制端子，所述控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作所述切换装置（１１２），用于控制所述第一和第二电路节点间的电流传导；开关驱动器（１１４），所述开关驱动器具有被与所述切换装置（１１２）的所述控制端子耦合的输出端子和用于接收功率的至少一个功率端子，所述开关驱动器（１１４）用于使用来自所述至少一个功率端子的功率来根据所接收的开关控制信号（１２２）提供所述切换信号；缓冲器电路（１１６），所述缓冲器电路具有缓冲器存储装置（ＣＳ）以及被与所述切换装置的正极和负极节点耦合的第一和第二缓冲器端子；和电源电路（１１８），所述电源电路在所述正极和负极节点之间与所述缓冲器电路（１１６）形成串联电路，所述串联电路与所述切换装置（１１２）并联，所述电源电路（１１８）包括：第一变换器电路（１３０），所述第一变换器电路设有被耦合到所述缓冲器电路（１１６）的全桥整流器（１３１）以及被与通过所述整流器（１３１）创建的第一直流ＤＣ总线（１３８）耦合的电源存储装置（１３５）；和第二变换器电路（１４０），所述第二变换器电路设有隔离直流至直流ＤＣ－ＤＣ变换器（１４１），所述隔离ＤＣ－ＤＣ变换器接收所述第一ＤＣ总线（１３８）并提供隔离的主直流ＤＣ输出（１４４），以向所述开关驱动器（１１４）提供电功率用于操作所述开关驱动器（１１４）。...

【技术特征摘要】
2009.04.15 US 12/423,8911.一种开关电路(110)，用于选择性地控制功率变换器(102)的第一和第二电路节点间的电流传导，所述开关电路(110)包括具有被分别与所述第一和第二电路节点耦合的第一和第二开关端子的切换装置 (112)，或者具有被分别与所述第一和第二电路节点耦合的第一和最后端子的、串联连接的多个切换装置，并且所述切换装置具有用于每个切换装置的控制端子，所述控制端子接收切换信号以选择性地在传导状态和非传导状态中的一个状态下操作所述切换装置(112)， 用于控制所述第一和第二电路节点间的电流传导；开关驱动器(114)，所述开关驱动器具有被与所述切换装置(112)的所述控制端子耦合的输出端子和用于接收功率的至少一个功率端子，所述开关驱动器(114)用于使用来自所述至少一个功率端子的功率来根据所接收的开关控制信号(122)提供所述切换信号；缓冲器电路(116)，所述缓冲器电路具有缓冲器存储装置(Cs)以及被与所述切换装置的正极和负极节点耦合的第一和第二缓冲器端子；和电源电路(118)，所述电源电路在所述正极和负极节点之间与所述缓冲器电路(116) 形成串联电路，所述串联电路与所述切换装置(11 并联，所述电源电路(118)包括第一变换器电路(130)，所述第一变换器电路设有被耦合到所述缓冲器电路(116)的全桥整流器(131)以及被与通过所述整流器(131)创建的第一直流DC总线(138)耦合的电源存储装置(13 ；和第二变换器电路(140)，所述第二变换器电路设有隔离直流至直流DC-DC变换器 (141)，所述隔离DC-DC变换器接收所述第一 DC总线(138)并提供隔离的主直流DC输出 (144)，以向所述开关驱动器(114)提供电功率用于操作所述开关驱动器(114)。2.根据权利要求1所述的开关电路(110)，其中所述第一变换器电路(130)包括第一变换器切换装置(132)，所述第一变换器切换装置被与所述全桥整流器(131)耦合；二极管(134)，所述二极管被耦合在所述第一变换器切换装置(13 和所述电源存储装置(135)之间；和第一变换器控制电路(133)，所述第一变换器控制电路用于控制所述第一变换器切换装置(132)以调节所述第一 DC总线。3.根据权利要求2所述的开关电路(110)，其中所述第二变换器电路(140)的所述隔离DC-DC变换器(141)提供辅助直流DC输出(145)，并且其中所述第一变换器控制电路 (133)通过所述辅助DC输出(145)被供电。4.根据权利要求1所述的开关电路(110)，进一步包括诊断电路(146)，所述诊断电路在操作上被与所述第一变换器电路(130)耦合以监视所述第一 DC总线，并且在操作上被与所述第二变换器电路(140)耦合以监视所述主DC输出。5.根据权利要求4所述的开关电路(110)，其中所述第二变换器电路(140)的所述隔离DC-DC变换器(141)提供辅助直流DC输出(145)，并且其中所述诊断电路(146)通过所述辅助DC输出(145)被供电。6.根据权利要求4所述的开关电路(110)，其中所述第一变换器电路(130)包括被与所述全桥整流器(131)耦合的分流器(136)以感测缓冲器电流，并且其中所述诊断电路 (146)在操作上被与分流器(136)耦合以监视所述缓冲器电流。7.根据权利要求4所述的开关电路(110)，其中所述诊断电路(146)包括光学输出 (180、182)，所述光学输出提供通过所述诊断电路(146)检测出的至少一个故障情形的编码视觉指示。8.根据权利要求4所述的开关电路(110)，其中所述诊断电路(146)包括诊断控制输出(190)，所述诊断控制输出提供指示通过所述诊断电路(146)检测出的至少一个故障情形的信号。9.一种开关电路(...

【专利技术属性】
技术研发人员：纳维德·R·扎加里，程仲元，安杰洛·R·博尔托卢斯，
申请(专利权)人：洛克威尔自动控制技术股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：US