CN100530881C - 功率开关的有源串联均压控制装置 - Google Patents

Abstract

功率开关的有源串联均压控制装置，其特征是对于串联工作的各功率模块，设置有源均压吸收模块，有源均压吸收模块并联跨接在各主功率管V_i-j的C、E端；设置驱动控制模块，以驱动控制模块的输出控制信号分别接入各功率模块和有源均压吸收模块。本发明采用有源控制，具有功耗低、均压可靠、功率开关的离散适应能力强和电路简单等优势。

Description

功率开关的有源串联均压控制装置

技术领域

本发明涉及电力保护装置，更具体地说是一种应用在电力电子及电力传动领域的中高压功率变换器保护装置。

背景技术

现代工业技术和计算机技术飞速发展，以大功率电力电子全控器件为核心的中高压电力变换系统，在高压直流输电和无功补偿、大功率电力传动、大型风力发电和大规模太阳能光伏发电等系统中得到广泛应用，已成为节能和新型可再生能源系统中的关键设备。但是，已有的中高压电力变换系统的主电路功率开关器件有时难以满足系统的电压和功率要求。采用功率单元的串联可以解决耐压问题，但由于各功率单元存在着参数的离散性、回路杂散电感、动态电阻和开关时间不同步等问题，传统的均压方式难以同时满足动态和静态的稳定可靠均压的要求。

目前常用的功率模块串联均压措施有并联电阻法和缓冲吸收法。并联电阻可以实现比较理想的静态均压。但是，由于流过并联电阻上的漏电流是功率模块漏电流的5～10倍时，才能有较好的静态均压效果，所以均压电阻的功率损耗较大。RC或RCD缓冲电路可以有助于动态均压，但属于无源控制，均压的一致性和可控性不好。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种均压电容选择范围宽、均压控制能力强、能同时满足动态和静态稳定可靠均压要求的功率开关的有源串联均压控制装置。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明的结构特点是对于串联工作的、分别由各主功率管构成的各功率模块，设置有源均压吸收模块，所述有源均压吸收模块与各主功率管的集电极和发射极关联跨接；设置驱动控制模块，驱动控制模块的输出控制信号分别接入各功率模块和有源均压吸收模块；

在有源均压吸收模块中设置泄放功率管，泄放功率管的发射极与主功率管的发射极连接，泄放功率管的集电极经放电电阻接快恢复二极管的反向端，快恢复二极管的正向端接主功率管的集电极，在快恢复二极管的反向端与泄放功率管的发射极之间分别跨接吸收电容和压敏电阻，在放电电阻的两端并联续流二极管，续流二极管的正向端接泄放功率管的集电极；

在驱动控制模块中，电源电路采用高频变压器多绕组高压隔离，或采用全波整流电路，电源电路包括由均压值决定电压幅值的均压电源、依驱动控制模块中驱动电路的要求进行设定的驱动正电源和驱动负电源；驱动控制模块中的驱动检测电路由比较器构成，比较器的反向端为基准电压端，比较器的正向端为被测均压信号端，串联设置二极管和电阻，以二极管的正向端接比较器的输出端，以电阻接比较器的正向端形成滞环比较电路。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用有源控制均压电路，均压电容选择范围宽，均压控制能力强。

2、本发明均压控制电源及均压预充电电源取自本功率管驱动电路，均压控制与驱动一体化，线路结构，简单紧凑。

3、本发明静态均压稳定且具有一致性，动态均压波动范围小，可以控制。

4、本发明中由于在均压电路与功率开关之间不形成泄放通道，因此均压电路动态损耗小。

附图说明

图1为本发明电路结构示意图。

图2为本发明电路原理示意图。

图3为本发明驱动控制模块中的电源电路原理图。

图4为本发明驱动控制模块中的驱动检测电路原理图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步描述：

具体实施方式

参见图1，对于串联工作的各功率模块，设置有源均压吸收模块M1，有源均压吸收模块M1并联跨接在各主功率管V_i-j的C、E端，其中i＝1～n；j＝1～2；设置驱动控制模块M2，以驱动控制模块M2的输出控制信号分别接入各功率模块和有源均压吸收模块M1。

参见图2，在有源均压模块M1中设置泄放功率管V2、泄放功率管V2的E端与主功率管的E端连接，泄放功率管V2的C端经放电电阻R1接恢复二极管D2的反向端，以快恢复二极管D2的正向端接主功率管V_i-j的C端，在快恢复二极管D2的反向端与泄放功率管V2的E端之间分别跨接吸收电容C1和压敏电阻RY1，在放电电阻R1的两端并联设置续流二极管D3，续流二极管D3的正向端接泄放功率管V2的C端；

图2所示，驱动控制模块M2内电路为均压控制和驱动电路，由电源电路提供驱动电源和均压电源，驱动电路内含均压检测控制电路和主功率管V_i-j及泄放功率管V2的驱动电路。图2中，S1和S2为控制电源输入端，A1和K1为驱动信号输入，+V1和-V2为驱动电路的正负电源输入。

参见图3，在驱动控制模块M2中，电源电路采用高频变压器多绕组高压隔离，或采用全波整流电路，以提高电源输出功率。输出电源包括输出电压较高，并且是由均压值决定其电压幅值的均压电源+V3，也包括依驱动电路要求进行设定的驱动正电源+V1和驱动负电源-V2。

参见图2、图4，驱动检测电路由比较器构成，比较器的反向端为基准电压端，正向端为被测均压信号VC端，串联设置二极管D7和电阻R7，以二极管D7的正向端接比较器输出端，以电阻R7接比较器正向端形成滞环比较电路。

当电压VC超过设定泄放动作电压VX1时，比较器CM1A的2脚输出高电平，经驱动电路G2输出，驱动泄放功率管V2。图4所示的电阻R4和R5的分压值决定了泄放动作电压VX1，D7和R7构成滞环比较，即当VC电压低于滞环下限电压VX2时，泄放功率管方才关断。

具体实施中，泄放功率管V2的安装位置应紧靠主功率模块，以便尽量减小引线电感影响。由驱动控制模块M2对主功率管和均压吸收模块M1分别进行控制，所有驱动控制模块M2的驱动信号输入采用光纤同步。

M2模块中的均压检测电路如图4所示，当VC电压超过设定泄放动作电压VX1时，比较器CM1A的2脚输出高电平，经驱动电路G2输出，驱动泄放功率管V2，电阻R4和R5的分压值决定泄放动作电压VX1，D7和R7构成滞环比较，即当VC电压低于滞环下限电压VX2时，泄放功率管关断。比较基准电压采用基准电压源+Vref，以保证动作电压的一致性和准确性。

当S1、S2有电输入时，+V1和-V2提供驱动电源输出，+V3输出均压直流。+V3的均压直流首先给均压电容C1预充电至+V3，该电压值的设定应大于电路的直流母线均分电压值VN，即如直流母线电压为VDC，串联功率开关数为N，则VN＝VDC/N。

VC为均压检测端，当VC电压大于设定门限VX1时，G2输出驱动泄放功率管V2导通，电容C1通过R1、V2放电。

当VC电压在放电作用下降到VX2时，G2输出关断泄放功率管V2，在多功率开关串联动作时，均压电容C1的端电压被限制在VX1和VX2间，进而起到保护预防主功率管V_i-j过压作用，VX1和VX2设定值应略大于泄放功率管V2预充电压值。VX1和VX2间的电压差值限为数十伏。

电容C1的容值选择可以较大，以保证在开关瞬间的电压上升率不致过高和放电控制动作有效。

压敏电阻RY1为无源器件，在电路故障或控制失效时，其作为最后的过压保护动作，此时，驱动检测电路会检测均压超限，并发出故障报警信号，提高工作可靠性。

本实施例中，所有均压模块的均压控制幅值设置是相同的。

Claims (1)

1、功率开关的有源串联均压控制装置，其特征是：

对于串联工作的、分别由各主功率管(V_i-j)构成的各功率模块，设置有源均压吸收模块(M1)，所述有源均压吸收模块(M1)与各主功率管(V_i-j)的集电极和发射极并联跨接；设置驱动控制模块(M2)，所述驱动控制模块(M2)的输出控制信号分别接入各功率模块和有源均压吸收模块(M1)；

在所述有源均压吸收模块(M1)中设置泄放功率管(V2)，泄放功率管(V2)的发射极与主功率管(V_i-j)的发射极连接，泄放功率管(V2)的集电极经放电电阻(R1)接快恢复二极管(D2)的反向端，快恢复二极管(D2)的正向端接主功率管(V_i-j)的集电极，在所述快恢复二极管(D2)的反向端与泄放功率管(V2)的发射极之间分别跨接吸收电容(C1)和压敏电阻(RY1)，在所述放电电阻(R1)的两端并联续流二极管(D3)，续流二极管(D3)的正向端接泄放功率管(V2)的集电极；

在所述驱动控制模块(M2)中，电源电路采用高频变压器多绕组高压隔离，或采用全波整流电路，所述电源电路包括由均压值决定电压幅值的均压电源(+V3)、依所述驱动控制模块(M2)中驱动电路的要求进行设定的驱动正电源(+V1)和驱动负电源(-V2)；

所述驱动控制模块(M2)中的驱动检测电路由比较器构成，比较器的反向端为基准电压端，比较器的正向端为被测均压信号(VC)端，串联设置二极管(D7)和电阻(R7)，以二极管(D7)的正向端接比较器的输出端，以电阻(R7)接比较器的正向端形成滞环比较电路。

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