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CN109923779A - 混合整流器 - Google Patents

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CN109923779A
CN109923779A CN201780064773.8A CN201780064773A CN109923779A CN 109923779 A CN109923779 A CN 109923779A CN 201780064773 A CN201780064773 A CN 201780064773A CN 109923779 A CN109923779 A CN 109923779A
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Imarog Co Ltd
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Abstract

提供一种混合整流器，包括用于在线路电流的正电流部分期间传导电流的顶部二极管、并联连接到顶部二极管的顶部晶体管、用于在线路电流的负电流部分期间传导电流的底部二极管以及并联连接到底部二极管的底部晶体管。混合整流器控制器连接到顶部晶体管和底部晶体管用于实施晶体管控制策略，使得在线路电流的正电流部分期间，仅当线路电流低于正弦参考电流时，顶部二极管传导电流且底部晶体管传导电流。类似地，在线路电流的负电流部分期间，仅当线路电流高于正弦参考电流时，底部二极管传导电流且顶部晶体管传导电流。

Description

混合整流器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月19日提交的US 62/410,026号美国专利申请的优先权，所述美国专利申请的全文特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
所描述的实施例涉及电力电子。
背景技术
整流器是用于将公用事业公司以交流电形式(AC)提供的电力供应转换成某些应用所需要的直流电形式(DC)的装置。电子整流器用在大多数AC/DC电力供应器、马达驱动器(变频或伺服)、电池充电器等中。几乎所有由配电网供电的电子装置都使用整流器。存在许多类型的整流器，从简单到复杂，每一者提供不同的性能水平。
通常，最简单的整流器使用多个二极管。这些二极管整流器具有产生大量电流畸变的特性，这对于某些应用来说是不可接受的，诸如受例如IEEE 519的法规或标准约束的那些应用。
为了实现比二极管整流器要好的电流畸变水平，已经开发了有源整流器。传统上，目标是显著减小畸变使其超出法规和标准所设定的限度。有源整流器比二极管整流器要复杂，并且使用有源开关(通常是晶体管)来控制电流流动。然而，有源整流器的相关联成本高于二极管整流器，因为所使用的晶体管必须能够传导相对较高的电流，这使得它们较为昂贵。
此外，由于晶体管的不断切换，有源整流器通常在部分负载下具有低效率，这即使在负载变为零时也会产生损耗。对于某些应用和行业，已知的有源整流器的效率低得不可接受或者至少表示一个实质性问题。
发明内容
在第一方面，本发明的一些实施例提供一种用于对交流电进行整流的混合整流器电路。对于每个AC相位，混合整流器电路包括用于在交流电的正电流部分期间传导电流的顶部二极管和并联连接到顶部二极管的顶部晶体管。混合整流器还包括用于在交流电的负电流部分期间传导电流的底部二极管和并联连接到底部二极管的底部晶体管。混合整流器控制器连接到顶部晶体管和底部晶体管用于切换顶部晶体管和底部晶体管。根据一些实施例，可以设计控制以便将晶体管切换保持在最小限度。在交流电的正电流部分期间，当通过顶部二极管的电流低于正弦参考电流时切换底部晶体管以使得底部晶体管传导电流，当通过顶部二极管的电流高于正弦参考电流时切换底部晶体管以使得底部晶体管不传导电流。类似地，在交流电的负电流部分期间，当通过底部二极管的电流高于正弦参考电流时切换顶部晶体管以使得顶部晶体管传导电流，并且当通过底部二极管的电流低于正弦参考电流时切换顶部晶体管以使得顶部晶体管不传导电流。
根据一些实施例，混合整流器可以被实施为三相混合整流器，针对每个相位具有顶部晶体管、顶部二极管、底部晶体管、底部二极管和混合整流器控制器。
在第二方面，本发明的一些实施例提供一种用于对交流电进行整流的混合整流器电路。混合整流器电路包括顶部晶体管，用于在交流电的正电流部分期间传导电流并且在交流电的负电流部分期间切换。混合整流器电路还包括底部晶体管，用于在交流电的负电流部分期间传导电流并且在交流电的正电流部分期间切换。混合整流器控制器连接到顶部晶体管和底部晶体管中的每一者，用于在交流电的正部分期间当通过顶部晶体管的电流低于正弦参考电流时切换底部晶体管，并且在交流电的负部分期间当通过底部晶体管的电流高于正弦参考电流时切换顶部晶体管。
根据一些实施例，混合整流器中的晶体管可以是场效应晶体管(FET)。
在第三方面，本发明的一些实施例提供一种用于电力再生的混合整流器电路。混合整流器电路包括用于在交流电的正电流部分期间传导续流电流的顶部二极管和并联连接到顶部二极管的顶部晶体管。混合整流器电路还包括用于在交流电的负电流部分期间传导续流电流的底部二极管和并联连接到底部二极管的底部晶体管。混合整流器控制器连接到顶部晶体管和底部晶体管以使得在交流电的正电流部分期间，当通过底部晶体管的电流低于正弦参考电流时切换底部晶体管以使得底部晶体管传导电流，并且当通过底部晶体管的电流高于正弦参考电流时切换底部晶体管以使得底部晶体管不传导电流。在交流电的负电流部分期间，当通过顶部晶体管的电流高于正弦参考电流时切换底部晶体管以使得顶部晶体管传导电流，并且当通过顶部晶体管的电流低于正弦参考电流时切换顶部晶体管以使得顶部晶体管不传导电流。
在第四方面，本发明的一些实施例提供一种用于对并联高功率整流器的谐波进行滤波的混合整流器，包括并联连接到高功率整流器的混合整流器。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1是根据一些实施例的混合整流器的电路图；
图2描绘了根据一些实施例的三相混合整流器的电流传导的曲线；
图3是根据一些实施例的混合整流器控制器的示意图；
图4描绘了根据一些实施例的如混合整流器控制器可以使用的DC总线电压纹波；
图5描绘了根据一些实施例的在负载突降保护期间的电压和电流曲线；
图6描绘了根据一些实施例的示出通过混合整流器的二极管和晶体管的电流的电压和电流曲线；
图7是根据一些实施例的使用FET的混合整流器的电路图；
图8是描绘根据一些实施例的在使用与二极管并联的FET的混合整流器的操作期间的电流流动的电路图；
图9是描绘根据一些实施例的在仅使用FET(而没有并联的二极管)的混合整流器的操作期间的电流流动的电路图；
图10描绘了根据一些实施例的使用FET的三相混合整流器的电流传导的曲线；
图11是根据一些实施例的用作用于大型整流器的谐波滤波器的混合整流器的电路图；以及
图12描绘了示出用于典型300A整流器的平均二极管正向电压降的曲线。
具体实施方式
参考图1，示出了混合整流器100的电路图。一般来说，混合整流器100通过组合二极管整流器的优势和有源整流器的优势来减轻已知有源整流器和二极管整流器所呈现的问题。尽管混合整流器100的示意图与已知有源整流器有些相似，但重要的是要理解混合整流器的部件大小不同于有源整流器。因此，与有源整流器相比，混合整流器产生较少损耗，同时提供改善的效率。
明确地说，混合整流器100与已知有源整流器之间的显著差异是控制技术。与有源整流器相反，混合整流器的较简单逐相控制电路可以被嵌入用于多相整流器的每个相位支路，从而消除有源整流器通常需要的隔离信号。可以使用任何已知的相位电流和DC总线电压传感器，因为实施方式对于操作来说并不重要。
混合整流器100被示出为三相混合整流器，并且命名“a”、“b”和“c”用于表示三个相位中的每一者。根据一些实施例，可以使用单相混合整流器，例如，包括部件集合“a”、“b”或“c”中的、与混合整流器100中的单个相位对应的一者(或两者)。
混合整流器100包括与顶部晶体管112a并联的顶部二极管110a，它们一起形成顶部开关。底部开关包括与底部晶体管116a并联的底部二极管114a，如图所示。二极管110a和114a连同晶体管112a和116a对应于三相混合整流器100的一个相位。类似地，混合整流器100包括对应于其它两个相位的二极管110b、110c、114b、114c和晶体管112b、112c、116b、116c。
如本文所使用，术语“晶体管”用于表示能够随意开关换向的快速半导体开关，例如但不限于双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)、任何类型的场效应晶体管(FET)，诸如：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或结型栅极场效应晶体管(JFET)、栅极关断晶闸管(GTO)和强制换向晶闸管。本领域的技术人员将了解，还可以使用其它装置。
如本文所使用，关于整流器示意图上的部件使用术语“顶部”和“底部”(例如，顶部整流器开关、顶部二极管、顶部晶体管、底部整流器开关、底部二极管、底部晶体管)。如本领域的技术人员将了解，术语“顶部”和“底部”通常是指部件作为整流器的角色，而不是特定电路布局或拓扑。例如，“顶部二极管”用于对交流电的正电流部分(即，半周期)进行整流，而与部件的任何特定物理布局无关。
混合整流器控制器118a连接到顶部晶体管112a和底部晶体管116a两者以便控制晶体管的状态。如图1所示(举例示出了IGBT晶体管)，混合整流器控制器118a连接到顶部晶体管112a的栅极和底部晶体管116a的栅极。将了解，对于其它类型的晶体管，混合整流器控制器118a可以相应地连接到(诸如)晶体管的基极而不是栅极。如本文所描述，利用这种电路拓扑，混合整流器控制器118a可以用于在简单二极管整流器模式与较复杂有源整流器模式之间操作混合整流器100。根据一些实施例，混合整流器100可以通过在这些模式之间进行切换来使用，从而改善简单二极管整流器的谐波畸变问题，同时比有源整流器更简单实施且/或更便宜。
如先前所描述，混合整流器可以被实施为三相混合整流器，诸如图1所示的混合整流器110。在三相情况下，针对每个相位使用单独的混合整流器控制器(例如，混合整流器控制器118a、118b和118c)。在这种情况下，如果需要，可以在单个电路板上安装多个控制器。此外，混合整流器也可以用于多电平整流器。或者，根据一些实施例，单个混合整流器控制器可以用于控制一个以上相位。
混合整流器控制器118a可以用于实施晶体管的切换策略，所述切换策略保持二极管作为主要整流元件。在这种情况下，顶部整流器开关和底部整流器开关两者均是通过将二极管与晶体管组合并且使用二极管作为主要整流元件来制成的。这与已知有源整流器形成对比，其中晶体管是主要整流元件。
换句话说，与已知有源整流器相比，本文所公开的控制策略依赖于部件的不同操作。根据用于混合整流器的控制策略，晶体管仅用于当相位电流将通常低于所需(例如，与所需参考电流相比)时引导二极管中的电流。在已知有源整流器的情况下，需要将DC总线电压提升至少10％至30％高于二极管整流器电平来操作，而对于混合整流器，晶体管间歇性地切换并且DC总线电压保持在非常接近二极管整流器电平的较低平均值。
在一些实施例中，混合整流器可以保持有源整流器的许多特性，但是具有与二极管整流器相似的较低损耗和/或较低成本。例如，混合整流器可以具有比有源“升压”整流器低的切换和传导损耗，并且可以更有效，尤其是在较低电力下，而在较低电力下有源整流器的效率被显著降低。
此外，混合整流器中的晶体管可以不受死区时间的影响或者不会由于单极性调制而击穿。因此，可以使用慢关断装置，因为它们通常产生较低传导损耗。
在某些情况下，混合整流器的另一个方面是与有源整流器相比较低的EMI和纹波电流发射，这是由于切换事件的数目减少和/或在较低电流下发生切换事件。此外，与有源整流器相比，混合整流器可以具有较小DC总线电容，这可以用于维持稳定性或减少二极管整流器的DC电压纹波。
根据一些实施例，混合整流器可以使用比有源整流器中所必要的晶体管小的晶体管来构建，因此与有源整流器相比，混合整流器的成本降低。
在混合整流器可以被实施为具有优于有源整流器的改善效率的同时，其还可以被实施为具有比二极管整流器低的电流畸变(谐波)。换句话说，可以实施控制策略以便将畸变限制于可接受的水平，同时最小化晶体管传导和切换损耗。
此外，混合整流器可以被实施为具有比二极管整流器平滑的DC总线电压。例如，三相混合整流器可以具有在2％至5％范围内的DC总线电压变化，而二极管整流器可以在14％左右。然而，与二极管整流器相比，混合整流器可以用类似(即，“低”)DC总线电压进行操作，这可以具有降低部件应力的效果。
参考图2，示出了描绘三相二极管整流器电流210、正弦参考电流(例如，“理想”)212以及通过用于底部晶体管(换向模式)214、顶部二极管(连续传导模式)216、顶部晶体管(换向模式)218和底部二极管(连续传导模式)220的混合整流器的传导的曲线的图。如可以由混合整流器控制器(例如，混合整流器控制器118a)实施的控制策略可以参考图2进行解释。
如图2所示，可以确定控制策略，使得在通过二极管整流器210的交流电的正电流部分期间，每当线路电流低于正弦参考电流212时，存在通过底部晶体管214的传导。当线路电流高于正弦参考电流212时，传导通过顶部二极管216。
类似地，对于负电流部分，每当线路电流高于正弦参考电流212时，存在通过顶部晶体管218的传导。当线路电流低于正弦参考电流212时，传导通过底部二极管220。
本文所公开的控制策略可以用于以下五个目的中的任何一者或全部。
首先，可以将晶体管切换保持在最小限度，并且多半在低振幅线路电流流动的线路周期的区域中。这可以在图2中的底部晶体管214和顶部晶体管218的传导中看到。根据一些实施例，这可以减少晶体管、二极管和线路电感器中的换向损耗。
其次，参考顶部二极管216和底部二极管220的传导，大部分高电流传导是由通常具有比晶体管低的传导损耗的二极管完成的。
第三，可以促进对电路进行封装(例如，包括整流器开关和相关联的混合整流器控制器)，因为控制相对较简单(例如，与有源整流器相比)，使得每对晶体管和二极管(即，用于单个相位的顶部整流器开关和底部整流器开关)独立进行操作。
第四，可以管理由混合整流器产生的谐波水平，例如，关于诸如IEEE519等特定法规。根据一些实施例，没有必要获得比特定法规所禁止的谐波水平好的谐波水平。
第五，可以将DC总线电压纹波保持为与有源整流器一致，有源整流器显著低于二极管整流器。这样做的效果是减少通过负载的电流畸变。
根据一些实施例，控制策略可以使用线路电感器(例如，线路电感器120a、120b和120c)和晶体管脉冲来将总电流畸变需求(TDD-I)维持在可接受水平。
在简化控制策略中，混合整流器控制器不需要与线路精确同步，这使得其比有源整流器更稳固。在这种情况下，仅仅从线路电压提取电流基准。
在某些情况下，可以使用预先编程的控制策略。这可以使用晶体管切换模式来实现，所述模式可以使用简单反馈来调整。例如，就适应整流器的负载而言的来自线路电流的反馈。或者，相对于线路电压的DC电压可以用于避免进入升压模式(即，有源整流器的)，同时减小DC电压纹波。
此外，可以使用更精细的控制策略，其使用线路电压极性实时生成晶体管切换命令并且将线路电流振幅与基准进行比较。在这种情况下，当线路电流振幅低于基准时，发生晶体管切换。本质上，对于二极管整流器，当电流将低于正弦基准时，晶体管维持电流。
根据一些实施例，混合整流器控制器可以用PID(或类似的)控制器和基本逻辑来实施，以便控制晶体管脉冲宽度。较复杂的混合整流器控制器可以基于矢量控制、无差拍控制或用于优化切换损耗与谐波生成之间的折衷的其它高级方法。
参考图3，示出了简单混合整流器控制器300的示意图，诸如可以用于每个相位以向那个相位提供独立控制。控制器使用电压比较器310和反相器312以在正半周期期间通过正电流控制器314仅启用底部晶体管的操作，而在负半周期期间通过负电流控制器316仅启用顶部晶体管。
混合整流器控制器300包括正电流控制器314和负电流控制器316两者，尽管仅示出了正电流控制器314的细节。负电流控制器316的类似部件未在图3中示出。
当二极管电流318低于正弦参考电流320时，激活晶体管切换(例如，通过正电流控制器314的底部晶体管切换)。正弦参考电流320可以被生成为与线路电压同相，如图2中所描绘。脉宽调制器322用于当二极管电流318低于正弦参考电流320(还参见：图2中的二极管电流210和正弦参考电流212)时增加脉宽调制(PWM)以便维持电流。当二极管电流318高于正弦参考电流320时将PWM减小到零以便停止晶体管。
可以针对控制器使用简单的PI或PID误差放大器324。在一些应用中，可以使用适于负载的预编程切换模式。其它常见的误差放大器拓扑也可以适合于这种应用。
尽管晶体管切换可以使用脉宽调制器322来完成，例如，通过根据PID 324的输出来调制脉宽，但是还可以使用其它晶体管切换方案。例如，滞后控制器可以用于控制晶体管切换。
可以调整正弦参考电流320的振幅以生成满足负载所需要的AC电流。根据一些实施例，这可以使用以下技术中的任一者来实现。
首先，可以测量线路或负载电流以导出等效正弦线路电流。
第二，可以相对于线路电压使用DC总线电压。在这种情况下，当DC总线电压低于峰值线间电压(√2VLL)时增大正弦参考电流320的振幅，而当其高于峰值线间电压时减小正弦参考电流320的振幅。
第三，可以使用DC总线电压纹波来调整正弦参考电流320的振幅。如图4所示，当纹波变得相对较小时，可以获得正弦参考电流320的最佳振幅。
第四，可以将预先计算出的切换模式保存在存储器中，并且简单地用二极管电流318或DC总线电压进行缩放。
根据一些实施例，可以在混合整流器中包括一些基本保护，诸如用于晶体管的过流和过温保护，以及从DC总线电压激活的切换停用电平。
用于晶体管的过流和过温保护减小并且最终停止换向模式。由于二极管仍然可以操作，因此会导致谐波畸变增加。然而，整流器仍然操作，因此产生高可用性。
DC总线电压保护电平可以被定义为比预期DC电压高几个百分点，以便停止晶体管切换，直到DC总线电压返回到可接受的值。可以在突然移除负载(负载突降)的情况下使用停用DC总线的能力，其中晶体管切换可能会将DC总线电压提高到危险电平。
图5中描绘了负载突降保护所产生的对晶体管切换的停用，其中510示出了DC总线电压，512示出了AC电压，514示出了晶体管电流，516示出了二极管电流，518示出了AC线路电流，并且520示出了负载电流。
负载突降保护依赖于简单的电压比较器来检测高DC总线电压并且完全停止晶体管切换，直到其返回到所需值，如图5所示。负载突降保护还可以与混合整流器电路的能量返回(再生)应用组合。当DC总线上升到高于其设定电平时，负载突降保护和能量返回两者激活。第一个电平导致晶体管停止，而第二个较高电平触发能量返回切换模式。
参考图6，示出了三相混合整流器应用中的一个支路的操作的示例。其它电压或电流以类似方式进行操作。
迹线610示出了220VLN/380VLL电源的DC总线电压。图6示出了DC总线电压非常接近Vdc＝√2VLL＝1.41*380VLL＝535Vdc。迹线612示出了220VLN的线路电压。迹线614示出了通过底部晶体管的电流，并且迹线616示出了通过顶部晶体管的电流。迹线618示出了顶部二极管电流，其显著高于在614和616中所示的通过晶体管的电流。迹线620示出了叠加在理想电流上的AC线路电流。
参考图7，并且根据一些实施例，可以使用FET作为顶部晶体管712a、712b、712c和底部晶体管716a、716b、716c来构建混合整流器700，以便实现同步整流器以及电流引导开关两者。这种类型的晶体管可以代替二极管或与二极管并联来反向传导，并且作为晶体管进行切换。
使用FET构建混合整流器。FET晶体管可以用作同步整流器，特别是在低电力下，用于代替二极管或者连同二极管一起来反向传导。因此，这可以用于通过消除二极管(例如，图7所示的二极管712a、712b、712c、714a、714b、714)来减少部件的数目。或者，当与二极管并联地操作晶体管时，可以降低总传导损耗，如在图7所示的混合整流器700的情况下。
根据一些实施例，如与其它整流器相比，使用FET构建的混合整流器减少了半导体的数目。此外，当与较简单的控制策略一起使用时，可以产生利用FET特性的整流器模块以便降低成本。在本文所公开的混合整流器的情况下，根据上述控制策略，FET被用作整流器和开关两者。
图8中示出FET与二极管并联的情况。在图8中，800示出了仅通过二极管810的电流802的整流，830示出了来自通过二极管810的电流802和通过顶部晶体管812的电流804两者的并行整流，并且860示出了顶部晶体管812已切换以维持电流806的流动。图8描绘了交流电的正电流部分。
图9示出了不使用二极管的FET混合整流器的情况。在图9中，900示出了通过顶部晶体管912的电流902的整流，并且950示出了顶部晶体管912已切换以维持电流906流动通过底部晶体管916。图9描绘了交流电的正电流部分。
参考图10，示出了描绘三相整流器电流1010、正弦参考电流(例如，“理想”)1012以及在切换底部FET时通过顶部FET(换向模式)1014、通过顶部FET(连续传导模式)1016、在切换顶部FET时通过底部FET(换向模式)1018和通过底部FET(连续传导模式)1020的FET混合整流器的传导的曲线的图。基于图10的如可以由混合整流器控制器(例如，混合整流器控制器118a)实施的控制策略的方式类似于针对基于图2的控制策略所描述的方式。
如图10所示，可以确定控制策略，使得在交流电的正电流部分期间，每当线路电流低于正弦参考电流1012时，顶部FET对电流进行整流，同时切换底部FET。当线路电流高于正弦参考电流1012时，传导通过顶部FET 1016。相应地，类似的策略被扩展到交流电的负电流部分。
混合整流器可以用于一系列应用，包括不间断电力供应器(UPS)、大型DC电力供应器(例如，用于等离子炬、电焊机、雷达发射器、电化学等)、HVDC配电线路以及电池充电器和牵引供电器。
此外，混合整流器可以与变速驱动器和具有再生制动和能量回收的AC/DC/AC转换器一起使用。为此，混合整流器可以适合作为低压、中压和高压整流器。
根据一些实施例，当DC总线由再生负载(诸如马达制动)充电时，切换策略可以用于使能量返回到线路。这在线路中返回能量而不是像当前针对二极管整流器应用的做法那样在动态制动电阻器中耗散能量。这可以通过混合整流器使用与先前所描述的简单控制策略类似的控制策略来实现。这样，与当前使用二极管整流器的做法不同，再生有可能是有效的再生。例如，在马达驱动器中，不需要动态制动电阻器来耗散制动能量。在再生过程中，晶体管完成大部分工作，如在有源整流器中一样。在整流模式下，晶体管也在二极管的相反方向上操作。
在许多应用(诸如马达可变驱动器)中，有必要通过耗散马达的一些动能来使马达慢下来。简单马达驱动器上的常用技术涉及在一排电阻器中耗散动能。这代表能量损耗，这是浪费的。较复杂且昂贵的有源整流器驱动器具有以较少损耗使这种能量返回到线路的能力。通过使用本文所描述的混合整流器(包括控制策略)，在再生期间，允许DC电压增加几个百分点，从而阻断二极管的操作。当发生这种情况时，以整流策略的互补策略对晶体管进行换向。换句话说，顶部晶体管在正线路电压期间或者通过使用另一种适当控制方案传导。
本质上，操作混合整流器的再生模式可以被视为与先前所描述的整流策略相反(互补)。当DC总线电压处于足够高的电平时，可以激活再生模式。在再生模式中，底部晶体管在交流电的正电流部分期间换向，并且顶部晶体管在交流电的负电流部分期间换向。
可以在再生模式期间使用不同的调制技术。对于某些应用，预先编程的脉冲排序技术就足够了。通常，再生电流相对较低并且发生的时间相对较短，使得谐波畸变不会成为显著问题。这使得简单的控制策略为可接受的。通常，再生电流应当限于针对电路所选择的晶体管的容量。在需要或优选完全再生的情况下，可以在整流器中使用全额定晶体管。
根据一些实施例，混合整流器电路可以用作混合滤波器，例如，作为并联谐波滤波器的替代物。
有源谐波滤波器经常使用完整的有源整流器电路来产生，所述有源整流器电路包括线路电感器和DC电容器组，与谐波生成负载并联。电流传感器被添加到电路中用于谐波生成负载以便测量谐波含量，使得可以注入反向谐波电流来消除来自谐波生成负载的谐波含量。这种方案的各种版本是众所周知的，并且均需要升压的独立DC总线电压以及比这种混合整流器复杂的控制策略。
参考图11，示出了混合整流器电路1110。混合整流器电路1110可以用作混合滤波器，以便将较大整流器1112的低频高功率整流器部件与混合整流器1110分开。在某些情况下，先前针对混合整流器描述的控制策略能够提供所需的滤波。与有源谐波滤波器相反，混合整流器1110可以向二极管整流器添加再生能力。此类配置可适合改造以适应现有整流器，或者当高功率整流器部件太慢而不能处理来自晶体管的高频电流脉冲时适合。
如图11所示，混合整流器1110可以使用主整流器1112的DC总线来用作并联谐波滤波器。在这种情况下，混合整流器1110及其线路电感器可以与现有高功率整流器1112并联连接，以通过使用混合整流器1110的简单控制策略来最小化谐波。
此外，如先前所描述，一些简单控制策略不需要补充电流传感器来测量由高功率整流器1112生成的谐波。
如先前所描述，可以使用混合整流器以便实现比类似有源整流器低的成本。例如，这可以在晶体管的电流容量远低于较便宜的二极管的电流容量的情况下看到。在这种情况下，上述控制策略是有利的，因为它们将大部分电流传导引导到二极管进行整流，并且将切换损耗保持为相对较低。在这种情况下，可以将总整流器成本降低到介于有源整流器的成本与二极管整流器的成本之间。根据一些实施例，整流器电路的每个相位可以由印刷电路板(“PCB”)上的离散部件组装而成，或者组装在智能电力模块中，或者作为集成电路来生产。中压和高压整流器也可以受益于这个特征，因为在这种电力电平下晶体管是非常昂贵的。
一般来说，对于任何特定混合整流器，可以相对于成本和效率来优化部件选择(例如，晶体管和/或二极管)。效率的主要增益来自于通过晶体管的传导损耗的降低，因为大部分电流传导是通过二极管来传送的。效率的另一个增益可以基于晶体管切换损耗的降低来看到，因为晶体管多半在较低电流下进行切换，并且在较低DC总线电压下进行操作。切换损耗与DC总线电压的平方有关。因此，将DC总线电压降低15％至20％可以节省30％的切换损耗。
传导损耗还可以与所选择的部件的大小有关。例如，在特定应用中使用混合整流器而不是有源整流器可以将晶体管的传导损耗降低到二极管的15％，如可以在图6中看到。(注意：图12示出了有源前端的损耗。此处不需要。原始图片是模拟计算，但这令人困惑。最好完全删除图12)
在许多情况下，传导损耗与装置上的电流和电压降成比例。在大多数有源整流器设计中，二极管和晶体管的大小被设计为具有相似的电压降。这意味着对于类似设计的参数，混合整流器中的晶体管的大小约为二极管的大小的15％。有鉴于此，考虑到晶体管通常比二极管昂贵的事实，可以通过使用较小晶体管来实现成本降低。
可以通过使用较大二极管来优化损耗以更进一步降低其传导损耗，与将有可能对有源整流器造成的影响相比，对所述整流器的总成本的影响较小。
例如，将二极管大小加倍相当于将操作电流减半。对于典型的电力二极管，电压降可以从1.65V减小到1.25V，从而节省25％的传导损耗，成本增加相对较小。对于150A和300A的电流电平，这种关系由图12中的曲线表示。
根据一些实施例，由于与有源整流器(例如，＞90％)相比晶体管在相对较短时期内并且以低振幅(例如，15％)传导电流通过混合整流器的事实，可以实现晶体管成本降低。因此，混合整流器中的晶体管可以较小并且因此较便宜。考虑到晶体管通常比二极管昂贵，这是重要的。此外，在较大系统中，较小晶体管还减小了栅极驱动器电流及其相关联辅助电力供应，因此使得能够使用简化的栅极驱动器技术。在较大系统中，这可以简化或消除为实现所需电力并联连接晶体管的任务。
根据一些实施例，用于每个相位的简单控制策略可以与智能电力模块(IPM)中的每个晶体管集成。在典型的有源整流器中，用于所有相位的控制由中央处理器完成，所述中央处理器协调所有晶体管切换，这需要许多传感器和信号隔离以便传送切换命令。然而，使用混合整流器控制器，每个相位可以是独立的，并且与有源整流器相比，相关联逻辑可以在需要较少集成传感器的简单模块中实施。这可以消除对复杂信号隔离和中央控制器的需要。
本文已经仅通过示例描述了本发明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些示例性实施例做出各种修改和变化，本发明的精神和范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (15)

1.一种用于对线路电流进行整流的混合整流器电路，包括：
-顶部二极管，用于在所述线路电流的正电流部分期间传导电流；
-顶部晶体管，并联连接到所述顶部二极管；
-底部二极管，用于在所述线路电流的负电流部分期间传导电流；
-底部晶体管，并联连接到所述底部二极管；以及
-混合整流器控制器，连接到所述顶部晶体管和所述底部晶体管，用于切换所述顶部晶体管和所述底部晶体管，使得：
在所述线路电流的所述正电流部分期间：
当所述线路电流低于正弦参考电流时，切换所述底部晶体管以使得所述底部晶体管传导电流，以及
当所述线路电流高于所述正弦参考电流时，切换所述底部晶体管以使得所述底部晶体管不传导电流；以及
在所述线路电流的所述负电流部分期间：
当所述线路电流高于所述正弦参考电流时，切换所述顶部晶体管以使得所述顶部晶体管传导电流，以及
当所述线路电流低于所述正弦参考电流时，切换所述顶部晶体管以使得所述顶部晶体管不传导电流。
2.根据权利要求1所述的混合整流器电路，其中所述线路电流是三相线路电流，顶部整流器开关和底部整流器开关与所述三相线路电流的第一相位有关，并且所述混合整流器控制器包括至少一个混合整流器控制器，所述混合整流器还包括：
-第二顶部整流器开关和第二底部整流器开关，所述第二顶部整流器开关包括与第二顶部晶体管并联的第二顶部二极管，所述第二底部整流器开关包括第二底部晶体管和第二底部二极管，所述第二顶部整流器开关和所述第二底部整流器开关与所述三相电流的第二相位有关；以及
-第三顶部整流器开关和第三底部整流器开关，所述第三顶部整流器开关包括与第三顶部晶体管并联的第三顶部二极管，所述第三底部整流器开关包括第三底部晶体管和第三底部二极管，所述第三顶部整流器开关和所述第三底部整流器开关与所述三相电流的第三相位有关；
其中所述至少一个混合整流器控制器还被配置为：
在所述线路电流的第二相位的正电流部分期间：
当第二线路电流低于顶部参考值时，切换所述第二底部晶体管以使得所述第二底部晶体管传导电流，以及
当所述第二线路电流高于所述正弦参考电流时，切换所述第二底部晶体管以使得所述第二底部晶体管不传导电流；以及
在所述线路电流的所述第二相位的负电流部分期间：
当所述第二线路电流高于所述正弦参考电流时，切换所述第二顶部晶体管以使得所述第二顶部晶体管不传导电流，以及
当所述第二线路电流低于所述正弦参考电流时，切换所述第二顶部晶体管以使得所述第二顶部晶体管不传导电流；
在所述线路电流的第三相位的正电流部分期间：
当第三线路电流低于所述正弦参考电流时，切换所述第三底部晶体管以使得所述第三底部晶体管传导电流，以及
当所述第三线路电流高于所述正弦参考电流时，切换所述第三底部晶体管以使得所述第三底部晶体管不传导电流；以及
在所述线路电流的所述第三相位的负电流部分期间：
当所述第三线路电流高于所述正弦参考电流时，切换所述第三顶部晶体管以使得所述第三顶部晶体管传导电流，以及
当所述第三线路电流低于所述正弦参考电流时，切换所述第三顶部晶体管以使得所述第三顶部晶体管不传导电流。
3.根据权利要求2所述的混合整流器电路，其中所述至少一个混合整流器控制器包括用于控制所述第二顶部晶体管和所述第二底部晶体管的第二混合整流器控制器，以及用于控制所述第三顶部晶体管和所述第三底部晶体管的第三混合整流器控制器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的混合整流器电路，其中所述顶部晶体管和底部晶体管中的每一者包括场效应晶体管(FET)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的混合整流器电路，其中基于负载来调整所述正弦参考电流的振幅。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的混合整流器电路，其中基于DC总线电压与峰值线间电压的比较来调整所述正弦参考电流的所述振幅。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的混合整流器电路，其中脉宽调制器控制所述顶部晶体管和所述底部晶体管中的至少一者的切换。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的混合整流器电路，其中滞后控制器控制所述顶部晶体管和所述底部晶体管中的至少一者的切换。
9.一种用于对线路电流进行整流的混合整流器电路，包括：
-顶部晶体管，用于在所述线路电流的正电流部分期间传导电流并且在所述线路电流的负电流部分期间切换；
-底部晶体管，用于在所述线路电流的所述负电流部分期间传导电流并且在所述线路电流的所述正电流部分期间切换；以及
-混合整流器控制器，连接到所述顶部晶体管和所述底部晶体管，用于在所述线路电流的所述正电流部分期间当所述线路电流低于正弦参考电流时切换所述顶部晶体管和所述底部晶体管，并且在所述线路电流的所述负电流部分期间当所述线路电流高于所述正弦参考电流时切换所述底部晶体管和所述顶部晶体管。
10.根据权利要求9所述的混合整流器，其中所述顶部晶体管和所述底部晶体管中的每一者包括场效应晶体管(FET)。
11.根据权利要求9或10所述的混合整流器，其中所述线路电流是三相线路电流，所述顶部晶体管和所述底部晶体管与所述三相线路电流的第一相位有关，并且所述混合整流器控制器包括至少一个混合整流器控制器，所述混合整流器还包括：
-第二顶部晶体管和第二底部晶体管，所述第二顶部晶体管和所述第二底部晶体管与所述三相线路电流的第二相位有关；
-第三顶部晶体管和第三底部晶体管，所述第三顶部晶体管和所述第三底部晶体管与所述三相线路电流的第三相位有关；
其中所述至少一个混合-混合整流器控制器还在所述三相线路电流的所述第二相位的正部分期间当所述三相线路电流的所述第二相位低于所述正弦参考电流时切换所述第二顶部晶体管和所述第二底部晶体管，在所述三相线路电流的所述第二相位的负部分期间当所述三相线路电流的所述第二相位高于所述正弦参考电流时切换所述第二底部晶体管和所述第二顶部晶体管，在所述三相线路电流的所述第三相位的正部分期间当所述三相线路电流的所述第三相位低于所述正弦参考电流时切换所述第三顶部晶体管和所述第三底部晶体管，并且在所述三相线路电流的所述第三相位的负部分期间当所述三相线路电流的所述第三相位高于所述正弦参考电流时切换所述第三底部晶体管和所述第三顶部晶体管。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的混合整流器，其中所述至少一个混合整流器控制器包括用于控制所述第二顶部晶体管和所述第二底部晶体管的第二混合整流器控制器，以及用于控制所述第三顶部晶体管和所述第三底部晶体管的第三混合整流器控制器。
13.一种用于电力再生的混合整流器电路，包括：
-顶部二极管，用于在所述线路电流的正电流部分期间传导电流；
-顶部晶体管，并联连接到所述顶部二极管；
-底部二极管，用于在所述线路电流的负电流部分期间传导电流；
-底部晶体管，并联连接到所述底部二极管；以及
-混合整流器控制器，连接到所述顶部晶体管和所述底部晶体管，用于测量DC总线电压，并且当所述DC总线电压超过再生触发电平时，切换所述顶部晶体管和所述底部晶体管，使得：
在所述线路电流的所述正电流部分期间：
当所述线路电流低于正弦参考电流时，切换所述底部晶体管以使得所述底部晶体管传导电流，以及
当所述线路电流高于所述正弦参考电流时，切换所述底部晶体管以使得所述底部晶体管不传导电流；以及
在所述线路电流的所述负电流部分期间：
当所述线路电流高于所述正弦参考电流时，切换所述顶部晶体管以使得所述顶部晶体管传导电流，以及
当所述线路电流低于所述正弦参考电流时，切换所述顶部晶体管以使得所述顶部晶体管不传导电流。
14.根据权利要求13所述的混合整流器电路，还包括DC总线电压保护，其中当所述DC总线电压超过DC总线电压保护电平时，所述混合整流器控制器还切断所述顶部晶体管和所述底部晶体管。
15.一种用于对并联高功率整流器的谐波进行滤波的混合整流器，包括：
-根据权利要求1至12中任一项所述的、并联连接到所述高功率整流器的混合整流器电路。
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