專利名稱：橋式雙向電子開關及用它構成的交流斬波器主電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙向電子開關及交流斬波器，具體地說，它是一種橋式雙向電子
開關及用它構成的交流斬波器主電路。
背景技術：
普通的交流斬波器一般都由主電路和控制電路組成，其主電路形式如圖7所示， 電路中的開關S工是主開關，開關S2是續流開關，這兩個開關均由雙向電子開關構成。當主 開關S工導通而續流開關S2關斷時，交流斬波器的輸出電壓等于電源電壓，即u。 = us ;當主 開關S工關斷而續流開關S2導通時，交流斬波器的輸出電壓等于零，即u。 = 0。通常電路中 雙向電子開關Sp^采用如圖8 11所示的結構之一，其中開關器件kl、k2可以是功率開 關管IGBT、MOSFET、三極管或其它類型的自關斷器件，它們均具有雙向關斷電流的能力。工 作時，由控制電路產生一個脈寬信號P麗，控制開關S" S2的交替導通，以實現如圖12所示 的交流斬波輸出。交流斬波器一般采用等占空比的P麗控制方式，通過改變占空比來控制 交流斬波器輸出電壓的大小。該交流斬波器存在的問題是如果采用上述現有的雙向電子 開關結構，當電路中所有開關器件Sp S2關斷后，電感電流沒有續流通道，電感L上將產 生高壓加在開關器件上，使開關器件非常容易因過壓而損壞。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有雙向電子開關用于交流斬波器的缺點，提供一種橋 式雙向電子開關及用它構成的交流斬波器主電路，以避免上述電感高壓擊穿交流斬波器中 的開關器件。 為實現上述目的，本發明橋式雙向開關的第一技術方案如下 它具有一個橋式結構，在該橋式結構的直流側接有一個電容，在該橋式結構的四 個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件，并且所述上半橋和下半橋上的開關 器件各自連接構成一個雙向電子開關，從而形成上、下兩個雙向電子開關的并聯。
本發明橋式雙向開關的第二技術方案如下 它具有一個橋式結構，在所述橋式結構的直流側接有一個電容，在該橋式結構下 半橋的兩個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件，而在上半橋的兩個橋臂上 各接有一個單向導通二極管，所述下半橋上的兩個開關器件連接構成一個雙向電子開關； 或者在上半橋的兩個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件，而在下半橋的兩 個橋臂上各接有一個單向導通二極管，所述上半橋上的兩個開關器件連接構成一個雙向電 子開關。 本發明交流斬波器主電路的技術方案如下 它由主開關和續流開關構成，所述的主開關串聯在由交流電源(us)和負載串聯 構成供電回路中，所述的續流開關并聯在負載上，所述的主開關和續流開關均為雙向電子 開關，其特殊之處在于所述的雙向電子開關具有一個橋式結構，在所述橋式結構的直流側接有一個電容，在該橋式結構的四個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件，
并且所述上半橋和下半橋上的開關器件各自連接構成一個雙向電子開關，從而形成上、下
兩個雙向電子開關的并聯；或者在該橋式結構下半橋的兩個橋臂上各接有一個帶續流二極
管的自關斷開關器件，而在上半橋的兩個橋臂上各接有一個單向導通二極管，并且該下半
橋上的兩個開關器件連接構成一個雙向電子開關；或者在該橋式結構的上半橋的兩個橋臂
上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件，而在下半橋的兩個橋臂上各接有一個單向
導通二極管，并且該上半橋上的兩個開關器件連接構成一個雙向電子開關。 —、本發明的雙向電子開關采用了與已有雙向開關完全不同的結構形式，由于它
采用了直流側帶電容的橋式結構，故它不僅具有雙向電子開關的功能，同時，還具備雙向吸
收輸出電感能量的能力。用本發明提供的雙向電子開關代替交流斬波器中的雙向電子開
關，它可在交流斬波器的主開關和續流開關全部關斷時為電感電流提供一個自然的續流通
道，并由所述的直流側電容吸收該能量，從而避免了開關器件過壓而損壞。 二、本發明雙向開關的第一方案提供了兩個并聯的雙向電子開關結構，如果交流
斬波器中的主開關和續流開關均采用該種雙向電子開關結構，就可以通過控制兩個電子開
關的交替導通來提高斬波頻率的限極值，從而最大限度地減小輸出電流的脈動。
圖1、本發明雙向電子開關的電路結構圖之一。 圖2、本發明雙向電子開關的電路結構圖之二。 圖3、本發明雙向電子開關的電路結構圖之三。 圖4、本發明交流斬波器的電路原理圖之一。 圖5、圖4交流斬波器中雙向電子開關S2的控制信號波形圖。 圖6、本發明交流斬波器的電路原理圖之二。 圖7、現有交流斬波器的電路原理圖。 圖8、現有雙向電子開關的電路結構圖之一。 圖9、現有雙向電子開關的電路結構圖之二。 圖10、現有雙向電子開關的電路結構圖之三。 圖11、現有雙向電子開關的電路結構圖之四。 圖12、交流斬波器的輸出波形圖。
具體實施方式
實施例1 參見圖l，本發明所述的雙向電子開關具有一個橋式結構，在該橋式結構的直流側 接有一個電容Q，在該橋式結構的四個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件 Sldl、 SM、 Sld2、 S^，并且上半橋上的開關器件S^、 Sld2連接構成一個雙向電子開關，而下半 橋上的開關器件S^、Sw連接構成另一個雙向電子開關，這兩個雙向電子開關為并聯連接。 所述的自關斷開關器件可以是功率開關管IGBT、MOSFET、三極管或其它類型的自關斷器件。 當開關器件S^、Sw導通時，下半橋的雙向電子開關(以下簡稱下半橋開關)導通，即正向 電流可以從A端通過開關器件Sldl和開關器件Slri的續流二極管流向B端，而負向電流可以
4從B端通過開關器件Slri和開關器件Sldl的續流二極管流向A端。同理，當開關器件Slf2、 S^導通時，上半橋的雙向電了開關(以下簡稱上半橋開關)雙向導通。由于本雙向電子開 關是上半橋和下半橋兩個雙向電子開關并聯，所以可以通過控制上半橋開關或下半橋開關 一個開關的導通來完成雙向開關的功能，也可以通過控制上半橋開關和下半橋開關的交替 導通來完成雙向開關的功能。如果采用上半橋開關和下半橋開關交替導通的控制方式，則 兩個雙向電子開關的開關頻率可以下降一半，從而降低開關器件的損耗，延長其使用壽命； 反之，如果需要提高開關頻率，則本雙向電子開關的極限頻率可比單一雙向電子開關的提 高一倍(即假設開關器件的極限頻率是lOkHz，本開關的極限頻率就是20kHz)。如果將本 雙向電子開關交替導通的工作模式用于交流斬波器，則可提高交流斬波器的斬波頻率，減 小輸出電流的脈動，具體電路如下例所示。
實施例2 參見圖4、5，本例采用實施例1提供的雙向電子開關構成交流斬波器，它由主開關 S工和續流開關S2構成，所述的主開關S工串聯在由交流電源us和負載串聯構成供電回路中， 所述的續流開關S2并聯在負載上，所述的負載由輸出電感L和負載電阻R串聯構成。本例 的特點是主開關S工和續流開關S2均采用實施例1所述的雙向電子開關。
其工作原理如下通常情況下，用脈寬信號P麗控制主開關S工中上半橋開關或下 半橋開關的導通與截止，而用脈寬信號^控制續流開關S2中上半橋開關或下半橋開關的 導通與截止，其輸出端即可以得到如圖12所示的交流斬波電壓u。，這種控制方式與已有交 流斬波器的控制方式相同。如果需要提高交流斬波器性能(即降低開關器件的損耗或提高 斬波頻率)，則用脈寬信號P麗l和P麗l'分別控制主開關S工中上半橋開關和下半橋開關的 導通與截止，而用脈寬信號P麗2和P麗2'分別控制續流開關S2中上半橋開關和下半橋開 關的導通與截止，使主開關S工和續流開關S2的導通由上半橋開關和下半橋開關的交替導通 來實現。圖5中示出脈寬信號P麗的占空比為50%，調節其占空比可以調節交流斬波器輸 出電壓u。的大小。 再參見圖4，當主開關S工和續流開關S2中所有的開關器件都關斷時，不論電源電 壓us與電感電流極性相同還是相異，開關器件的續流二極管及電容都能為電感電 流^提供低阻抗的續流通道 1、如果開關器件關斷時電源電壓Us與電感電流^的極性相同，并且電源電壓Us 和電感電流^都為正(電感電流^為如圖4所示的方向)，這時，電流的續流通道為us 正極——Slt2的續流二極管——Q——SM的續流二極管——L——R——us負極。
2、如果開關器件關斷時電源電壓us與電感電流的極性相同，并且電源電壓us和 電感電流^都為負(電感電流^為如圖4所示的反方向)，這時，電流的續流通道為us 負極——R——L——Sld2的續流二極管——Q——Sldl的續流二極管——us正極；
3、如果開關器件關斷時電源電壓Us與電感電流iJ勺極性相反，并且電源電壓Us為 正，電感電流i^為負(電感電流^為如圖4所示的反方向)，這時，電流i^的續流通道為 S&2的續流二極管——C2——S2ri的續流二極管——R——L。 4、如果開關器件關斷時電源電壓us與電感電流的極性相反，并且電源電壓us為 負，電感電流^為正(電感電流^為如圖4所示的方向)，這時，電流的續流通道為S2d2 的續流二極管——C2——S2dl的續流二極管——L——R。
正是因為本斬波器為電感電流i^提供了上述續流通道，故電感L上不會產生高 壓，同時，在這一過程中由電流^為電容Q、 C2充電，當電感L中的能量釋放完后，電容Q、 C2也充電飽和，使電容上的電壓高于電源電壓、，則續流二極管截止而阻斷上述續流通道， 使斬波器處于徹底關斷狀態。
實施例3 參見圖2，本雙向電子開關與實施例1結構相似，它也具有一個橋式結構，在該橋 式結構的直流側接有一個電容C3，在該橋式結構下半橋的兩個橋臂上各接有一個帶續流 二極管的自關斷開關器件S^、Sw，而在上半橋的兩個橋臂上各接有一個單向導通二極管 SM、 S^，下半橋上的兩個開關器件S3dl、 SM連接構成一個雙向電子開關。控制下半橋上的 開關器件S3dl、 SM導通，即可實現雙向電子開關的功能。
實施例4 參見圖3，本雙向電子開關與實施例3結構相似，它也具有一個橋式結構，在該橋 式結構的直流側接有一個電容C4，在上半橋的兩個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關 斷開關器件S^、 S^，而在下半橋的兩個橋臂上各接有一個單向導通二極管S4dl、 S^，所述 上半橋上的兩個開關器件連接構成一個雙向電子開關。控制上半橋上的開關器件S^、 S4d2 導通，即可實現雙向電子開關的功能。
實施例5 上述實施例3、4中所述的雙向電子開關，可以對圖4中的主開關S工和續流開關S2 做替換，即替換SpS2中的一個或全替換，均可完成交流斬波和提供續流通路。參見圖6，本 例將實施例3給出的雙向電子開關替換圖4中的主開關S15將實施例4給出的雙向電子開 關替換圖4中的續流開關S2。用圖5中的脈寬信號P麗控制開關器件S3dl、 SM的導通，而 用脈寬信號函控制S4r2、S4d2導通，即可完成交流斬波功能。當開關器件S3dl、SM、S4r2、S4d2 全關斷時，它們的續流二極管和所述的單向導通二極管可以提供如實施例2中所述的續流 通道，同樣可避免電感L產生高壓。
權利要求
一種橋式雙向電子開關，其特征是它具有一個橋式結構，在該橋式結構的直流側接有一個電容(C1)，在該橋式結構的四個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件(S1d1、S1r1、S1d2、S1r2)，并且所述上半橋和下半橋上的開關器件各自連接構成一個雙向電子開關，從而形成上、下兩個雙向電子開關的并聯。
2. —種橋式雙向電子開關，其特征是它具有一個橋式結構，在所述橋式結構的直流 側接有一個電容，在該橋式結構下半橋的兩個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件(S3dl、 S^)，而在上半橋的兩個橋臂上各接有一個單向導通二極管(S3f2、 S^)，所述下半橋上的兩個開關器件(S3dl、 SM)連接構成一個雙向電子開關；或者在上半橋的兩個橋 臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件(S4f2、 S^)，而在下半橋的兩個橋臂上各 接有一個單向導通二極管(S礎、Sw)，所述上半橋上的兩個開關器件(S4r2、S4d2)連接構成一 個雙向電子開關。
3. —種用權利要求1或2所述橋式雙向電子開關構成的交流斬波器主電路，它由主開 關(S》和續流開關(S2)構成，所述的主開關(S》串聯在由交流電源(us)和負載(L、R)串 聯構成供電回路中，所述的續流開關(S2)并聯在負載(L、R)上，所述的主開關(S》和續流 開關(S2)均為雙向電子開關，其特征是所述的雙向電子開關具有一個橋式結構，在所述橋 式結構的直流側接有一個電容，在該橋式結構的四個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自 關斷開關器件(Sldl、 SM、 Sld2、 S^)，并且所述上半橋和下半橋上的開關器件各自連接構成 一個雙向電子開關，從而形成上、下兩個雙向電子開關的并聯；或者在該橋式結構下半橋的 兩個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件(S3dl、 S^)，而在上半橋的兩個橋 臂上各接有一個單向導通二極管(S^、S^)，并且該下半橋上的兩個開關器件(S3dl、SM)連 接構成一個雙向電子開關；或者在該橋式結構的上半橋的兩個橋臂上各接有一個帶續流二 極管的自關斷開關器件(S4f2、 S^)，而在下半橋的兩個橋臂上各接有一個單向導通二極管 (S他、S^)，并且該上半橋上的兩個開關器件(S4r2、S4d2)連接構成一個雙向電子開關。
全文摘要
本發明涉及一種橋式雙向電子開關及用它構成的交流斬波器主電路。其橋式雙向電子開關是一種直流側帶電容的橋式結構，在該橋式結構的四個橋臂上各接有一個帶續流二極管的自關斷開關器件。其交流斬波器主電路中主開關和續流開關用該橋式雙向電子開關代替。由于該橋式雙向電子開關的直流側帶電容，故它不僅具有雙向電子開關的功能，同時，還具備雙向吸收輸出電感能量的能力，它可在交流斬波器的主開關和續流開關全部關斷時提供一個自然的續流通道，并由所述的直流側電容吸收該能量，從而避免了開關器件過壓而損壞。
文檔編號H02M7/217GK101707479SQ20091021889
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者盧家林, 姚巧軒, 蔡米塔 申請人:西安愛科電子有限責任公司