[發明專利]脈寬調制型功率轉換器

無效

• 申請號: 88101565.2
• 申請日: 1988-03-23
• 公開（公告）號: CN1019440B
• 公開（公告）日: 1992-12-09
• 發明（設計）人: 西澤潤一;玉蟲尚茂;三田村纮一;高橋宏郎;三井潔夫;池原滿雄;若生豊多;丸山真平
• 申請（專利權）人: 財團法人半導體研究振興會;東北電力株式會社;通研電氣工業株式會社
• 主分類號: H02M7/00
• 分類號: H02M7/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 范本國

本發明涉及對功率轉換效率很高的PWM（脈沖寬度調制，下同）功率轉換器如逆變器、轉換器、正-逆（forward-reverse）功率轉換器、有源濾波器等所做的改進，該功率轉換器由橋式連接的多個開關元件構成，且通過一個PWM信號驅動。

眾所周知，如果根據PWM信號驅動橋式連接的多個開關元件，那末就能構成功率轉換效率很高的PWM功率轉換器，如逆變器、變換器、正-逆（forward-reverse）功率變換器及有源濾波器等等。

PWM功率轉換器中所使用的開關元件包括速度較低的自截止型功率元件，如BPT（雙極型晶體管）、GTO（門斷開可控硅）等等。脈寬調制的調制頻率的范圍為500Hz至2KHz，PWM脈沖計數在幾個脈沖至10～20個脈沖的范圍內。換句話說，脈寬調制的調制頻率可從500Hz上升至2KHz，而PWM脈沖計數可由幾個至10～20個較長脈沖的組合而成。

然而，在由長脈沖系列組成的PWM波形中，為了保持功率轉換器的輸入或輸出信號為正弦波，就必須使用一個采用LC諧振電路的濾波器，且該諧振電路須由大感抗的電感L和大容量的電容C來組成。

特別要指出的是，用于由10至20個長脈沖系列組成的PWM波形的有源濾波器只能工作在較低次諧濾上。這樣，就產生了對能工作在較高次諧波上的有源濾波器的需要。

近來，高速功率開關元件如SIT（靜態感應晶體管），SI可控硅管（靜態感應可控硅管）等等已發展起來。由于這個原因，脈寬調制的調制頻率可設置成幾十KHz，PWM脈沖計數可由幾百個短脈沖組合而成。

由于脈寬調制的調制頻率得到了提高，因此，功率轉換器的輸入或輸出信號可以是無失真的正弦波，有源濾波器就能夠工作在較高次的諧波上。

但是，在高頻PWM功率轉換器中隨著PWM調制頻率的提高，下面的問題也就產生了。由于調制頻率的提高，每個開關元件的開關損耗隨之增加，導致功率轉換效率下降。更準確地說，自截止型功率開關元件的開關時間和它的導通電壓之間存在著一種折衷選擇的關系，由于這個緣故，常規的高頻PWM功率轉換器中高速元件的使用是以犧牲能用來提高調制頻率的開關元件導通電阻的指標為代價的。

結果，隨著PWM功率轉換器的調制頻率的增加，由于所使用的開關元件的導通電阻較高的緣故功率轉換率即隨之變低。這樣就得不到高的功率轉換效率。換句話說，高速開關元件的使用能使轉換損耗下降，但使導通損耗上升，從而使總的轉換效率受到了限制。

半導體開關元件除了上面提到的BPT、GTO、SIT晶體管及SI可控硅等之外還包括MOS（金屬氧化物半導體）管、IGBT等等。

為了防止與DC功率源串聯連接的開關元件同時導通，一般在送入橋式連接的開關元件中的相鄰的高頻PWM信號之間設置一個空載時間。由于這個空載時間的緣故，PWM信號的脈寬下降率（即脈沖寬度變窄）比PWM信號由一串長脈沖系列組成時更加嚴重影響了輸出信號的波形。這樣，輸出信號波形相對于輸入信號波形而言的保真度也就受到了損害。

當使用其調制頻率已被提高的高頻PWM信號時，在輸出信號波形的波峰區及過零區常會發生脈沖丟失。這樣，在輸出信號波形的波峰區和過零區內輸入信號的波形相對于輸入信號波形的保真度也將惡化。

本發明是在考慮了上述情況之后做出的，本發明的第一個目的是提供一種能以低損耗、高效率進行功率轉換（由于開關元件產生的所有損耗均被減小的緣故）的PWM功率轉換器。

本發明的第二個目的是提供一種能消除由于空載時間使得高頻PWM信號的脈寬減小而引起的對輸出信號波形的不利影響、并能得到相對于輸入信號波形而言具有高保真度的輸出信號波形的PWM功率轉換器。

本發明的第三個目的是提供一種能防止因使用高頻PWM信號引起的輸入信號波形在波形區域和過零區域中的脈沖丟失，并能在波峰區域和過零區域中維持輸入信號波形相對于輸入信號波形的保真度的PWM功率轉換器。

根據本發明的一個方面所構成的PWM功率轉換器包括：

·橋式連接的多個的半導體開關元件，

·用于產生分別用來開關上述的多個半導體開關元件的PWM信號的PWM信號發生裝置，

·其中上述的多個半導體開關元件中以低速開關的元件使用一種具有低導通電壓、導通損耗較小的結構的第一開關元件，而以高速開關的其余的半導體開關元件則采用一種具有低轉換損耗、適宜高速轉換的第二開關元件。

根據本發明的另一方面所構成的PWM功率轉換器包括：