[发明专利]脉宽调制式逆变装置

说明书

本发明涉及一种用于把直流电源变换成交流电源或直流电源的脉宽调制式逆变装置。

通常，为了从一个直流电源获得交流电压，已经广泛地使用脉宽调制式逆变器。设计一个脉宽调制式逆变器以便通过利用半导体开关来交替改变提供给一个负载的电压极性，由此产生交流电压。该脉宽调制式逆变器包括多个半导体开关，这些半导体开关连接成桥式电路并且利用来自一个驱动电路的驱动输出来控制这些半导体开关的导通-关断。来自驱动电路的驱动输出交替地使半导体开关导通和关断，这些半导体开关在桥式电路中对角地设置，以便于在负载的两端上可以产生一个交流电压。在图1中，示出了一种逆变器电路的例子，该逆变器电路包括两个串联连接的半导体开关元件2和5。开关元件2，5与直流电源1并联连接。另外两个彼此串联连接的半导体开关元件4，3也分别地与直流电源1和半导体开关元件2，5并联连接。二极管D2，D3，D4，D5分别地与开关元件2，3，4，5并联连接，以便于它们的连接极性与直流电源1的极性相反。一个负载7通过一个输出电路6被连接在开关元件2和5之间的连接点与开关元件4和3之间的连接点之间，以便构成一个桥式电路。

一个控制电路8接收输出电路6的一个输出电流或输出电压作为一个输入信号。设置电流检测器以便检测流到每个开关元件2，3，4，5中的电流。每个电流检测器产生电流信号S12，S13，S14，S15，这些电流信号与在每个开关元件中的电流相对应，并且这些电流信号S12，S13，S14，S15被提供给控制电路8。控制电路8产生开关控制信号SS2，SS3，SS4，SS5，以便根据这些输入信号来控制这些开关元件2，3，4，5中各自的转换时间，由此控制开关元件2，3，4，5的操作。

在这个逆变器电路中，开关元件2和开关元件3是一对开关而开关元件4和开关5也是一对开关。因此，一对开关元件和另外一对开关元件被交替地导通和关断。应该指出：作为这类电路的一个问题是用于使半导体开关元件导通和关断的转换周期是相对长的，并且这个转换周期导致限制了操作频率，以便于不可能获得高频操作的逆变器电路。

日本专利特许公开号昭60-174069中建议：在如图1中所示的逆变器电路中，设置附加的半导体开关元件，这些开关元件具有更快的开关速度和更高的导通电压，而且与串联连接的一对半导体开关元件中的各自对应的开关元件并联连接。参照在图1中所示的电路，建议把附加的半导体开关12，13分别地与半导体开关元件4，3并联连接。在该建议的逆变器电路中，首先通过把一个驱动信号提供给开关元件2，然后，在开关元件2已经完全地变为导通之后，把该驱动信号提供给与开关元件3并联连接的开关元件13，以便给负载提供一个输出电压。然后，在开关元件13已经完全地变为导通之后立刻给与开关元件13并联连接的开关元件3提供一个驱动信号，以便使开关元件3导通。当由直流电源1给负载提供的电源被切断时，提供给开关元件3的驱动信号首先被切断。然后，在电流完全地被转移到与开关元件3并联连接的开关元件13中之后，立刻使开关元件13关断。

在上述特许公开中描述的逆变器电路的结构和控制的目的在于减小开关损耗。然而，在这个电路中，具有更快的开关速度和更高的导通电压的开关元件只与构成桥式电路的四个开关元件之中的两个开关元件并联设置，而对另外的两个开关元件没有采取措施。因此，在负载是电感的情况下，没有这种附加开关元件与其并联连接的开关元件在导通损耗方面可能没有改善，这是因为在这些开关元件被导通和关断的时间期间循环电流仍然存在。此外，用于驱动开关元件的驱动信号需要按照适当顺序被设置，这导致增加了控制的困难。

此外，在1995年日本电器工程师学会，工业应用协会的年会收集的论文No．214中一个名为“无噪音高效逆变器”的文章中，建议把一个具有小的开关损耗但具有大的导通损耗的绝缘栅双极晶体管(IGBT)与一个具有小的导通损耗但具有大的开关损耗的主晶体管并联连接，并且控制一个开关时间，使在主晶体管开关转换时IGBT总是导通，以便减少开关损耗和导通损耗。在这个建议的电路和控制方案中，根据主晶体管用于导通的开关时间、导通时间和用于关断的开关时间的总和来确定IGBT的最小导通时间。然而，由于常规晶体管的开关时间通常比IGBT的开关时间长几倍，所以在此提出的控制方案不能获得逆变器的高频操作。

考虑到上述的情况，本发明的一个目的是提供一种脉宽调制式逆变器，该脉宽调制式逆变器使得容易地减少它的尺寸和重量以及具有能够实现减小开关损耗和高效的高频操作的能力。