[其他]脉宽调制型功率转换器

说明书

本发明涉及对功率转换效率很高的PWM（脉冲宽度调制，下同）功率转换器如逆变器、转换器、正-逆（forward-reverse）功率转换器、有源滤波器等所做的改进，该功率转换器由桥式连接的多个开关元件构成，且通过一个PWM信号驱动。

众所周知，如果根据PWM信号驱动桥式连接的多个开关元件，那末就能构成功率转效率很高的PWM功率转换器，如逆变器、变换器、正-逆（forward-reverse）功率变换器及有源滤波器等等。

PWM功率转换器中所使用的开关元件包括速度较低的自截止型功率元件，如BPT（双极型晶体管）、GTO（门断开可控硅）等等。脉宽调制的调制频率的范围为500Hz至2KHz，PWM脉冲计数在几个脉冲至10～20个脉冲的范围内。换句话说，脉宽调制的调制频率可从500Hz上升至2KHz，而PWM脉冲计数可由几个至10～20个较长脉冲的组合而成。

然而，在由长脉冲系列组成的PWM波形中，为了保持功率转换器的输入或输出信号为正弦波，就必须使用一个采用LC谐振电路的滤波器，且该谐振电路须由大感抗的电感L和大容量的电容C来组成。

特别要指出的是，用于由10至20个长脉冲系列组成的PWM波形的有源滤波器只能工作在较低次谐滤上。这样，就产生了对能工作在较高次谐波上的有源滤波器的需要。

近来，高速功率开关元件如SIT（静态感应晶体管），SI可控硅管（静态感应可控硅管）等等已发展起来。由于这个原因，脉宽调制的调制频率可设置成几十KHz，PWM脉冲计数可由几百个短脉冲组合而成。

由于脉宽调制的调制频率得到了提高，因此，功率转换器的输入或输出信号可以是无失真的正弦波，有源滤波器就能够工作在较高次的谐波上。

但是，在高频PWM功率转换器中随着PWM调制频率的提高，下面的问题也就产生了。由于调制频率的提高，每个开关元件的开关损耗随之增加，导致功率转换效率下降。更准确地说，自截止型功率开关元件的开关时间和它的导通电压之间存在着一种折衷选择的关系，由于这个缘故，常规的高频PWM功率转换器中高速元件的使用是以牺牲能用来提高调制频率的开关元件导通电阻的指标为代价的。

结果，随着PWM功率转换器的调制频率的增加，由于所使用的开关元件的导通电阻较高的缘故功率转换率即随之变低。这样就得不到高的功率转换效率。换句话说，高速开关元件的使用能使转换损耗下降，但使导通损耗上升，从而使总的转换效率受到了限制。

半导体开关元件除了上面提到的BPT、GTO、SIT晶体管及SI可控硅等之外还包括MOS（金属氧化物半导体）管、IGBT等等。

为了防止与DC功率源串联连接的开关元件同时导通，一般在送入桥式连接的开关元件中的相邻的高频PWM信号之间设置一个空载时间。由于这个空载时间的缘故，PWM信号的脉宽下降率（即脉冲宽度变窄）比PWM信号由一串长脉冲系列组成时更加严重影响了输出信号的波形。这样，输出信号波形相对于输入信号波形而言的保真度也就受到了损害。

当使用其调制频率已被提高的高频PWM信号时，在输出信号波形的波峰区及过零区常会发生脉冲丢失。这样，在输出信号波形的波峰区和过零区内输入信号的波形相对于输入信号波形的保真度也将恶化。

本发明是在考虑了上述情况之后做出的，本发明的第一个目的是提供一种能以低损耗、高效率进行功率转换（由于开关元件产生的所有损耗均被减小的缘故）的PWM功率转换器。

本发明的第二个目的是提供一种能消除由于空载时间使得高频PWM信号的脉宽减小而引起的对输出信号波形的不利影响、并能得到相对于输入信号波形而言具有高保真度的输出信号波形的PWM功率转换器。

本发明的第三个目的是提供一种能防止因使用高频PWM信号引起的输入信号波形在波形区域和过零区域中的脉冲丢失，并能在波峰区域和过零区域中维持输入信号波形相对于输入信号波形的保真度的PWM功率转换器。

根据本发明的一个方面所构成的PWM功率转换器包括：

·桥式连接的多个的半导体开关元件，

·用于产生分别用来开关上述的多个半导体开关元件的PWM信号的PWM信号发生装置，

·其中上述的多个半导体开关元件中以低速开关的元件使用一种具有低导通电压、导通损耗较小的结构的第一开关元件，而以高速开关的其余的半导体开关元件则采用一种具有低转换损耗、适宜高速转换的第二开关元件。

根据本发明的另一方面所构成的PWM功率转换器包括：