橋臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及橋臂，橋臂用于在其相應(yīng)的輸入端轉(zhuǎn)換直流電壓在其輸出端產(chǎn)生交流電壓以供應(yīng)給電感負載。
【背景技術(shù)】
[0002]在本領(lǐng)域中橋臂用于高電流低電壓轉(zhuǎn)換包含開關(guān)，所述開關(guān)通常以多個并行金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)的形式體現(xiàn)，所述開關(guān)用于控制供應(yīng)給以發(fā)動機形式的電感負載的電流。在過去的幾年里，用于MOSFETs的導(dǎo)通電阻不斷被減少以使得達到發(fā)動機控制器中的開關(guān)損耗已經(jīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位。這使得在MOSFET的導(dǎo)通電阻中進一步改進的益處微不足道，除非開關(guān)損耗可以進一步減少。
[0003]難以減少開關(guān)損耗的一個因素是MOSFET內(nèi)在的體二極管的性能。此二極管的性能還沒有跟MOSFET的許多其他性能一樣得到盡可能多的改進。
[0004]處于足夠的柵極電壓，可以使用低導(dǎo)通電阻打開M0SFET，例如在高結(jié)溫下4-5mohm用于一個75 V的M0SFET。在此導(dǎo)通狀態(tài)下，此MOSFET將在正向和反向方向上傳導(dǎo)電流。全文上下，正向方向為“理想”方向，也就是在該方向上應(yīng)用一個合適的控制信號至一個相應(yīng)的開關(guān)控制柵極，開關(guān)可以控制電流，然而反向方向是“不理想”方向，在該方向上應(yīng)用一個合適的控制信號至一個相應(yīng)的開關(guān)控制柵極，開關(guān)不能控制電流。
[0005]然而，MOSFET晶體管具有內(nèi)在體二極管，若晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，內(nèi)在體二極管在MOSFET的反向方向上傳導(dǎo)電流。為了避免橋臂中電流直通，介于控制信號間使用一個死區(qū)時間，用于轉(zhuǎn)換相應(yīng)的M0SFET，通常大約為1-2 uso在此時間間隔，依賴于負載(發(fā)動機)電流的方向，電流將被從MOSFET的溝道中轉(zhuǎn)移至橋臂兩個開關(guān)中的兩者之一的體二極管中。在死區(qū)時間之后，橋臂中另外一個開關(guān)被打開?，F(xiàn)在反向恢復(fù)電流將增加至一個高于負載(發(fā)動機)電流的數(shù)值來為二極管充電以及通過二極管熄滅電流。
[0006]電感負載的硬開關(guān)，如上所述，將產(chǎn)生晶體管體二極管的二極管恢復(fù)或分開反并聯(lián)連接的二極管。該二極管恢復(fù)將在恢復(fù)橋臂中部分開關(guān)的期間產(chǎn)生不受控制的電流變化率的直通電流，這產(chǎn)生EMC發(fā)射。傳統(tǒng)地，這些常規(guī)開關(guān)已有一個大約為10-25 kHz的上開關(guān)速率以及為了驅(qū)散來自電流傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)換的損耗，需求一個相對大的散熱器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于解決或至少減輕本領(lǐng)域中的該問題以及提供一個改進的橋臂。
[0008]該目的在本發(fā)明的第一個方面實現(xiàn)，即是通過橋臂在其相應(yīng)的輸入端轉(zhuǎn)換直流電壓在其輸出端產(chǎn)生交流電壓以供應(yīng)給電感負載。橋臂包括第一開關(guān)組件，第二開關(guān)組件，第三開關(guān)組件，第四開關(guān)組件以及至少一個第一電感元件。第一開關(guān)組件和第二開關(guān)組件在橋臂輸入端之間串行連接，橋臂輸出端形成在第一開關(guān)組件和第二開關(guān)組件的一個互連點上。第三開關(guān)組件和第四開關(guān)組件串行連接在橋臂輸入端之間，電感元件連接在第三開關(guān)組件和第四開關(guān)組的一個互連點與橋臂輸出端之間?？刂频谌_關(guān)組件和第四開關(guān)組件以使得較于先于橋臂輸出轉(zhuǎn)換時刻的橋臂輸出電流，降低通過第一開關(guān)組件或第二開關(guān)組件中兩者之一的反向電流。
[0009]該目的在本發(fā)明的第二個方面實現(xiàn)，即是通過橋臂在其相應(yīng)的輸入端轉(zhuǎn)換直流電壓在其輸出端產(chǎn)生交流電壓以供應(yīng)給電感負載。橋臂包括第一開關(guān)組件，第二開關(guān)組件，第三開關(guān)組件，第四開關(guān)組件，第一電感元件，第二電感元件，第一二極管和第二二極管。第一開關(guān)組件和第二開關(guān)組件串行連接在橋臂輸入端之間，橋臂輸出端形成在第一開關(guān)組件和第二開關(guān)組件的一個互連點上。第三開關(guān)組件和第一二極管串行連接在橋臂輸入端之間，第一電感元件連接在第三開關(guān)組件和第一二極管開關(guān)組件的陰極端子的一個互連點與橋臂輸出端之間。第二二極管和第四開關(guān)組件串行連接在橋臂輸入端之間，第二電感元件連接在第二二極管的陽極端子和第四開關(guān)組件的一個互連點與橋臂輸出之間?？刂频谌_關(guān)組件和第四開關(guān)組件以使得較于先于橋臂輸出轉(zhuǎn)換時刻的橋臂輸出電流，降低通過第一開關(guān)組件或第二開關(guān)組件中兩者之一的反向電流。
[0010]該目的在本發(fā)明的第三個方面實現(xiàn)，即是通過橋臂在其相應(yīng)的輸入端轉(zhuǎn)換直流電壓在其輸出端產(chǎn)生交流電壓以供應(yīng)給電感負載。橋臂包括第一開關(guān)組件，第二開關(guān)組件，第三開關(guān)組件，第四開關(guān)組件，第一電感元件以及至少一個第二電感元件。第一開關(guān)組件和第二開關(guān)組件串行連接在橋臂輸入端之間，第二電感元件連接在第一開關(guān)組件和第二開關(guān)組件的一個互連點與橋臂輸出端之間。第三開關(guān)組件和第四開關(guān)組件串聯(lián)連接在橋臂輸入端之間，第一電感元件連接在第三開關(guān)組件和第四開關(guān)組件的一個互連點與橋臂輸出端之間?？刂频谌_關(guān)組件和第四開關(guān)組件以使得較于先于橋臂輸出轉(zhuǎn)換時刻的橋臂輸出電流，降低通過第一開關(guān)組件或第二開關(guān)組件中兩者之一的反向電流。
[0011]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明第一，第二和第三方面的實施例，通過脈沖寬度調(diào)制法(PWM)控制橋臂，包括兩個主開關(guān)(第一和第二開關(guān)組件)，兩個附加輔助開關(guān)(第三和第四開關(guān)組件)和一個或多個用于消除硬開關(guān)主開關(guān)的二極管恢復(fù)電流附加電感。附加輔助開關(guān)點控制可以與主開關(guān)的PWM控制信號相同步。因此，與本領(lǐng)域中橋臂相比，為了避免主開關(guān)的二極管反向恢復(fù)，電流轉(zhuǎn)換暫時地經(jīng)由至少一個電感通過附加輔助開關(guān)接管。存儲在至少一個電感中的能量反饋至直流總線。
[0012]二極管恢復(fù)電流是發(fā)動機控制單元中電磁兼容性(EMC)發(fā)射的主要來源之一，因此，取決于二極管恢復(fù)電流的消除，將降低EMC。由于可以降低轉(zhuǎn)換損耗和EMC發(fā)射，任一地，散熱器尺寸可以減小，發(fā)動機控制器的等級可以提高或可選地可以是兩者的組合。在許多發(fā)動機控制應(yīng)用中，例如叉車，空間非常有限以及較小的散熱器非常危險。
[0013]優(yōu)選地，較于先于橋臂輸出轉(zhuǎn)換時刻的橋臂輸出電流，需要充分地降低通過第一開關(guān)組件或第二開關(guān)組件中兩者之一的反向電流，優(yōu)選以高達50%或以上。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實施例，由于橋臂的拓撲結(jié)構(gòu)，可以防止通過主開關(guān)的相應(yīng)反并聯(lián)二極管的反向電流流動。由于二極管的反向恢復(fù)特性限制發(fā)動機控制單元的轉(zhuǎn)換速率，避免此電流流動是有利的，橋臂實施在發(fā)動機控制單元中。
[0015]在本發(fā)明的一個實施例中，控制第三開關(guān)組件和第四開關(guān)組件，即是輔助開關(guān)，以使得較于先于第一開關(guān)關(guān)閉時刻的負載電流，降低通過第一開關(guān)，即是主開關(guān)中的一個，的反向電流以及較于第二開關(guān)關(guān)閉時刻的負載電流，降低通過第二開關(guān)，即是主開關(guān)中的另外一個的反向電流。優(yōu)選地，輔助開關(guān)暫時地“接管”來自主開關(guān)的電流。
[0016]在本發(fā)明的進一步實施例中，控制輔助開關(guān)以使得先于第一開關(guān)關(guān)閉時刻通過第一開關(guān)的電流為零或在正向方向以及先于第二開關(guān)關(guān)閉時刻通過第二開關(guān)的電流為零或在正向反向。優(yōu)選地，輔助開關(guān)暫時地接管來自主開關(guān)的電流，所述主開關(guān)本應(yīng)該關(guān)閉，于是主開關(guān)的晶體管可以關(guān)閉處于零或正電流狀況而不是負電流流經(jīng)晶體管。
[0017]應(yīng)當指出的是，開關(guān)可以由單個MOSFET晶體管或多個MOSFET晶體管并聯(lián)連接而形成。進一步地，開關(guān)也可以由單個IGBT或多個并聯(lián)IGBT組成，尤其是具有體二極管的多個IGBT。進一步地，開關(guān)可以由碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)晶體管單個或并聯(lián)組成。
[0018]進一步地，根據(jù)本發(fā)明多個方面，橋臂可以應(yīng)用于逆變器和電源轉(zhuǎn)換器。由于能夠得到轉(zhuǎn)換頻率方面的提高。因此可以縮小功率級輸出和交流負載之間的濾波電感。由于提高的轉(zhuǎn)換頻率導(dǎo)致電壓輸出諧波頻率的增加使得縮小濾波電感成為可能，電壓輸出諧波更容易過濾因而需要更小的濾波電感。
[0019]例如橋臂可以被應(yīng)用于一個三相交流控制單元用于控制工業(yè)叉車中的電動機。被控制的發(fā)動機可以為不同類型，例如，三相電動機，直流發(fā)動機，三相異步電動機(感應(yīng)電動機)，永磁電動機(PM)或磁阻式電動機。發(fā)動機的應(yīng)用實例為叉車中的牽引力和液壓泵。
[0020]本發(fā)明使得當在開關(guān)的反向方向上傳導(dǎo)電流時限制主開關(guān)的電流的波動率成為可能，電流的波動率即是di/dt。使得主開關(guān)中的兩者之一開啟直至已經(jīng)降低反向電流至零或甚至在反向方向上傳導(dǎo)而不產(chǎn)生不可控的橋臂短路風險是可能的。
[0021]當研宄所述的權(quán)利要求和下面的描述時，本發(fā)明的進一步特征以及優(yōu)點將變得顯而易見。如本領(lǐng)域中普通技術(shù)員容易理解的是可以組合示例性實施例公開的特征來創(chuàng)造下面描述的以外的實施例，而不脫離本發(fā)明的范圍，如所附權(quán)利要求限定。
[0022]附圖簡要說明
參照附圖，通過示例方式描述本發(fā)明，其中:
圖1為一個傳統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)中和電感負載一起使用的橋臂的示意圖；
圖2示出在圖1的現(xiàn)有技術(shù)中的橋臂中輸出感應(yīng)電流從上開關(guān)至下開關(guān)的