CN101604924A - 隔离缓冲型三电平逆变回路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离缓冲型三电平逆变回路，它包括直流单元、逆变单元、控制器，直流单元与逆变单元相连，在逆变单元与控制器之间设有一隔离缓冲驱动单元，逆变单元通过该隔离缓冲驱动单元与控制器相连，其中：该隔离缓冲驱动单元包括缓冲单元、调理单元和驱动单元，控制器的控制信号输出端依次经由缓冲单元、调理单元、驱动单元而与逆变单元的IGBT开关管的门极连接，一个控制信号输出端对应控制一个IGBT开关管的门极。本发明隔离缓冲型三电平逆变回路绝缘隔离安全可靠，整体布局灵活方便，在不损失性能的前提下，降低了对隔离器件的电压应力要求，降低了整个电路绝缘安全性对器件的要求，是一种低成本、高性能的产品设计。

Description

隔离缓冲型三电平逆变回路

技术领域

本发明涉及一种三电平结构的逆变回路，具体地说，是涉及一种利用三电平逆变回路自身结构特点来降低隔离器件电压应力的隔离缓冲型三电平逆变回路。

背景技术

中点箝位式的高压三电平变频器由于具有所需器件少、调速范围宽、能量可双向流动、体积小、重量轻等优点，在变频器领域呈现出了很好的应用前景，特别是集成门极换向晶闸管(IGCT)的问世，中高压变频器开关器件又添一理想选择。根据目前IGCT和高压IGBT的耐压水平，变频器中的三电平逆变器的最高输出电压等级可达4.16kV，这在很大程度上扩大了三电平逆变器的应用范围，但是，这对介于逆变单元与控制器之间的隔离器件提出了更高的要求。

如图1所示，现有的三电平逆变器包括整流单元100、直流单元200、逆变单元300和控制器500，控制器500与逆变单元300(由多个IGBT开关管组成)间采用直接耦合方式连接。这种直接耦合方式一般是在控制器500与逆变单元300之间设有一直接耦合连接单元400，逆变单元300中的每一个IGBT开关管的门极经该直接耦合连接单元400与控制器500的一控制信号输出端连接。对于每一个IGBT开关管，其门极经由两个图腾柱403串联构成的信号放大电路、光耦402、反相器401而与控制信号(PWM)端相连。该直接耦合连接单元400的电源与控制器500的电源相同，均为VCC、GND。这种直接耦合方式构建的三电平逆变器中逆变单元300中的IGBT开关管的电压应力低，开关管所承受的电压应力为二电平逆变器的一半，但是，直接耦合连接单元400中的器件所承受的电压应力却依然要按照全母线电压来考虑，因此，直接耦合连接单元400中不能使用低耐压器件，对器件要求高，且对整个器件的绝缘安全要求高，设计成本和制造成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隔离缓冲型三电平逆变回路，该三电平逆变回路在控制器与逆变单元之间为隔离耦合，隔离缓冲驱动单元中的器件所承受的电压应力低，整个逆变回路中的器件绝缘安全性要求降低，整个逆变回路可靠性高，制造成本低。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种隔离缓冲型三电平逆变回路，它包括直流单元、逆变单元、控制器，直流单元与逆变单元相连，其特征在于：在所述逆变单元与所述控制器之间设有一隔离缓冲驱动单元，所述逆变单元通过该隔离缓冲驱动单元与所述控制器相连，其中：该隔离缓冲驱动单元包括缓冲单元、调理单元和驱动单元，所述控制器的控制信号输出端依次经由缓冲单元、调理单元、驱动单元而与所述逆变单元的IGBT开关管的门极连接，一个控制信号输出端对应控制一个IGBT开关管的门极。

所述缓冲单元设有12组缓冲子单元，每一组缓冲子单元包括一反相器、一隔离器件，该反相器的输入端与所述控制器上与其相对应的一控制信号输出端相接，该反相器的输出端与该隔离器件的输入端相接，该隔离器件的输出端与所述调理单元相连；

所述驱动单元设有12组驱动子单元，每一组驱动子单元包括一隔离器件、两个图腾柱，该两个图腾柱串联构成一信号放大电路，该隔离器件的输入端与所述调理单元相连，该隔离器件的输出端经由该信号放大电路和一电阻与所述逆变单元上与其相对应的一IGBT开关管的门极相接。

所述隔离缓冲驱动单元设有两组供电电源，第一组供电电源与所述控制器的供电电源相同，该第一组供电电源为所述缓冲单元的隔离器件的输入侧与所述控制器间的电路供电，第二组供电电源的正极或负极由所述直流单元的电压中点引出，该第二组供电电源为所述缓冲单元的隔离器件的输出侧与所述逆变单元间的电路供电。

所述调理单元包括滤波模块和整形模块，其中：该整形模块设有12组整形子模块，每组整形子模块包括两个反相器，该两个反相器串联构成一整形电路，该整形电路的输入端与所述缓冲单元中与其相对应的缓冲子单元中的隔离器件的输出端相接；该滤波模块设有12组滤波子模块，每组滤波子模块包括一电容、一电阻和一反相器，该反相器的输入端经该电阻与整形模块中与其相对应的整形子模块中的整形电路输出端相接，该反相器的输出端与所述驱动单元中与其相对应的驱动子单元的隔离器件的输入端相接，该电容接于反相器输入端与第二组供电电源负极之间。

所述调理单元还包括时序检测模块，该时序检测模块用于校正所述控制器输出的控制信号的时序错误，以防止各控制信号在传输过程中因延时与干扰造成的时序混乱。

所述调理单元还包括共模抑制器件，该共模抑制器件用于消除所述直流单元电压中点引入的共模干扰。

本发明的优点是：

1、由于本发明逆变回路中的隔离缓冲驱动单元设有两组相互隔离的供电电源，一组供电电源与控制器的供电电源相同，为缓冲单元的隔离器件的输入侧与控制器间的电路供电，另一组供电电源的正极或负极由直流单元的电压中点引出，为缓冲单元的隔离器件的输出侧与逆变单元间的电路供电，所以，本发明实现了调理单元与控制器间的隔离，这一隔离措施保证了控制器不受隔离器件与开关管间的电路的不良影响，有效保护了控制器。

2、由于本发明有两组电源供电，其中一组电源正极或负极由直流单元的电压中点引出，所以，隔离缓冲驱动单元中的隔离器件原副边之间的绝缘强度能满足长期耐受半母线电压的要求即可(考虑到电压中点波动，绝缘强度应略高于长期耐受半母线电压的要求)，从而所使用的隔离器件的耐压要求有了明显地降低。

3、由于本发明采用了分段处理电气绝缘方式，一段是由强电IGBT开关管到电压中点的绝缘，另一段是由电压中点到弱电控制器的绝缘，所以，整个逆变回路的绝缘体系分成两段，每段的绝缘强度要求是整体的二分之一，绝缘强度要求降低了。

4、本发明中的调理单元可抑制信号在传输过程中引入的干扰，解决控制信号延时导致的时序错误和控制实时性问题，其完善了控制器对开关管的控制，保证了信号的安全性。

5、由于本发明中的缓冲单元对信号进行了加强，因此，信号传输距离可以适当加长，这样方便了变频器装置进行合理化空间布置。

本发明隔离缓冲型三电平逆变回路绝缘隔离安全可靠，整体布局灵活方便，在不损失性能的前提下，降低了对隔离器件的电压应力要求，降低了整个电路绝缘安全性对器件的要求，是一种低成本、高性能的产品设计。

附图说明

图1是现有的三电平逆变器示意图；

图2是本发明隔离缓冲型三电平逆变回路的组成示意图；

图3是隔离缓冲驱动单元的组成示意图；

图4是调理单元的一实施例的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图2至图4所示，本发明隔离缓冲型三电平逆变回路包括整流单元100、直流单元200、逆变单元300、控制器500，整流单元100与直流单元200相连，直流单元200与逆变单元300相连。在逆变单元300与控制器500之间设有一隔离缓冲驱动单元600，逆变单元300通过该隔离缓冲驱动单元600与控制器500相连(即隔离耦合)。该隔离缓冲驱动单元600包括缓冲单元630、调理单元620和驱动单元610，控制器500的控制信号输出端依次经由缓冲单元630、调理单元620、驱动单元610而与逆变单元300的IGBT开关管的门极连接，一个控制信号输出端对应控制一个IGBT开关管的门极。

在实际实施时，可将上述隔离缓冲型三电平逆变回路中的整流单元100用一逆变单元替代，以得到另一类型三电平逆变回路。这种三电平逆变回路的结构与图2所示逆变回路结构原理相似，均采用了隔离缓冲驱动单元600来实现隔离耦合。

下面分别对缓冲单元630、调理单元620、驱动单元610进行详述。

如图3所示，作为接口电路的缓冲单元630设有12组缓冲子单元，每一组缓冲子单元包括一反相器631、一隔离器件632(如光耦)。反相器631的输入端与控制器500上与其相对应的一控制信号输出端相接，该反相器631的输出端与该隔离器件632的输入端相接，该隔离器件632的输出端与调理单元620相连。来自控制器500的控制信号首先传送到该缓冲单元630，而后经过缓冲单元630的信号再向调理单元620传送，该缓冲单元630主要用于保护控制器500不受母线上的强电损伤，以及对控制信号进行放大处理，以便增强信号抗干扰性能、实现较远距离传输信号。

如图3所示，作为接口电路的驱动单元610设有12组驱动子单元，每一组驱动子单元包括一隔离器件612、两个图腾柱(图3中的标号611为一图腾柱)，该两个图腾柱611串联构成一信号放大电路，该隔离器件612的输入端与调理单元620相连，该隔离器件612的输出端经由该信号放大电路和一电阻与逆变单元300上与其相对应的一IGBT开关管的门极相接。该驱动单元610用于信号隔离、驱动功率隔离和信号放大处理。在实际中，由于驱动单元610的两端分别是电压中点B、开关管门极，开关管的门极最高电位在开关期间等同于母线正极A，开关管的门极最低电位在开关期间等同于母线负极C，所以，驱动单元610的绝缘要求应按照电压中点B到母线正极A的电压差绝对值与电压中点B到母线负极C的电压差绝对值中的较大者来决定。适当考虑逆变回路在运行中可能出现的电压中点波动，在长期耐受二分之一母线电压的绝缘要求的基础上，驱动单元610适度提高绝缘强度即可。

作为信号处理电路的调理单元620以直流单元200的电压中点B为负极(地线)，该调理单元620对传送来的信号进行识别和处理，以防止错误的信号被传递到IGBT开关管而造成开关器件的误动作。该调理单元620的构成可视具体产品需求而定，只要其可达到防错目的即可。例如，如图3和图4所示，调理单元620可包括滤波模块621和整形模块622。该整形模块622设有12组整形子模块，每组整形子模块包括两个反相器6221和6222，该两个反相器6221和6222串联构成一整形电路，该整形电路的输入端与缓冲单元630中与其相对应的缓冲子单元中的隔离器件632的输出端相接。该滤波模块621设有12组滤波子模块，每组滤波子模块包括一电容C、一电阻R和一反相器6211，该反相器6211的输入端经该电阻R与整形模块622中与其相对应的整形子模块中的整形电路输出端相接，该反相器6211的输出端与驱动单元610中与其相对应的驱动子单元的隔离器件612的输入端相接，该电容C接于反相器6211输入端与第二组供电电源负极MV-之间。进入该调理单元620的信号首先进行整形，矫正信号波形，且提高信号强度，使信号更加稳定，然后再进行滤波，通过适当设定滤波模块621的低通频率来对由于信号传输过程中受到干扰的信号形成的短脉冲进行抑制，最终将信号输出至驱动单元610。

如图2至图4，本发明的逆变单元300中有12支IGBT开关管S1～S12，控制器500有12个控制信号PWM1～PWM12输出，控制器500的12个控制信号输出端与12个IGBT开关管S1～S12的门极一一对应，隔离缓冲驱动单元600中各单元的电路均设有12组，相应地，隔离缓冲驱动单元600构成了12个隔离缓冲驱动电路(图中未全部示出，只示意性示出三个)，也就是说，对于12个控制信号PWM1～PWM12，这些控制信号分别经过各自的一隔离缓冲驱动电路而传送到对应的开关管门极。

在本发明逆变回路中，隔离缓冲驱动单元600设有两组供电电源——第一组供电电源与第二组供电电源，它们之间是相互隔离的。第一组供电电源与控制器500的供电电源相同，该第一组供电电源为缓冲单元630的隔离器件632的输入侧与控制器500间的电路供电，见图3中所示的电源Vcc和GND。第二组供电电源的正极或负极由直流单元200的电压中点B引出，如图3，图3所示的电压中点B与电源MV-短接，以使隔离缓冲驱动单元600与直流单元200间产生一个等电位点，电压中点B与MV-间的连接介质可使用导线、电感、电阻等。该第二组供电电源为缓冲单元630的隔离器件632的输出侧与逆变单元300间的电路供电，见图3、图4中所示的电源MV-和MV+。需要说明的是，图中两组电源分别只是示意性地示出了一路输出(一正极和一负极)，在大多数的应用场合下，每组电源可能需要更多路输出，以满足电路的具体需要。本发明通过采用两组供电方式，实现了调理单元620与控制器500间的隔离，这一隔离措施保证了控制器500不受隔离器件632与开关管间的电路的不良影响，有效保护了控制器500。

在本发明中，隔离缓冲驱动单元600中有两个地方需要考虑隔离强度问题，以保证人员及控制器的安全。两个隔离强度问题为：电源、隔离器件。电源因用途不同，其对隔离强度要求也不一样。对于本发明而言，如图2，电源MV+、MV-与控制器500之间的绝缘强度应能长期耐受半母线电压(考虑到电压中点B波动，绝缘强度应略高于长期耐受半母线电压的要求)，隔离器件(如，图2中的632、612等)原副边之间的绝缘强度应能满足长期耐受半母线电压的要求(考虑到电压中点B波动，绝缘强度应略高于长期耐受半母线电压的要求)。与现有逆变器相比，现有逆变器中的隔离器件原副边之间的绝缘强度应能满足长期耐受全母线电压的要求。可见，本发明对所使用的隔离器件的耐压要求有了明显地降低。

本发明的核心思想是分段处理电气绝缘，如图2，电压中点B到MV-的连线就是电气绝缘分段处理的分段点。电压中点B到MV-的连线将逆变回路的电气绝缘一分为二，一段是由强电IGBT开关管到电压中点B的绝缘，另一段是由电压中点B到弱电控制器500的绝缘。采用两段电气绝缘分别处理的优点是：整个逆变回路的绝缘体系分成两段，每段的绝缘强度要求是整体的二分之一。之所以是二分之一，是因为利用电压中点B电位恒定为二分之一母线电压的特点，可以很好地分割整个逆变回路的绝缘电压分布。如图2，本发明逆变回路运行时，电源MV-到IGBT开关器的工作电压为二分之一母线电压，这样，它们之间的绝缘只要能保证长期耐受二分之一母线电压即可，相似地，MV-到弱电控制器500之间的绝缘只要能保证长期耐受二分之一母线电压即可。

在本发明中，调理单元620的加入带来了降低隔离器件电压应力的优点。但是，调理单元620的加入也带来了如下问题：

1、控制器500发出的控制信号在中途传输过程中可能受到外界信号的干扰；

2、调理单元620直接与电压中点B的连接引入了共模干扰；

3、控制器500的控制信号的延时会造成控制实时性较差；

4、控制信号在传输过程中的延时与干扰可能会造成控制信号的时序错误。

在实际应用中，针对上述问题，调理单元620可以进行相应处理。例如，针对存在的外界信号干扰，调理单元620可设置必要的滤波电路、整形电路等。针对共模干扰问题，调理单元620可设置共模抑制器件以及进行恰当的电路板布板处理，该共模抑制器件用于消除直流单元电压中点B引入的共模干扰。针对实时性问题，调理单元620可采用较快速的信号传输隔离器件(如光耦，传输速度一般为1MB/S即可)。针对信号的时序错误，调理单元620可增加时序检测模块，该时序检测模块用于校正控制器输出的控制信号的时序错误，以防止各控制信号在传输过程中因延时与干扰造成的时序混乱。

下面，以图2所示的逆变回路为例描述本发明的工作过程。

本发明逆变回路工作时，交流电经整流单元100、直流单元200处理后施加在开关管上，控制器500通过检测各种参数变量以及接收控制界面指令后开始发出控制信号PWM1～PWM12，这些控制信号经过缓冲单元630的隔离放大处理、调理单元620的信号处理(如滤波、整形、时序检测等)、驱动单元610的隔离放大后，最终传送到IGBT开关管的门极，控制IGBT开关管的导通与关断，以使逆变单元300按照控制器500的控制而从三相U、V、W端输出信号。

本发明的优点是：

1、由于本发明逆变回路中的隔离缓冲驱动单元设有两组相互隔离的供电电源，一组供电电源与控制器的供电电源相同，为缓冲单元的隔离器件的输入侧与控制器间的电路供电，另一组供电电源的正极或负极由直流单元的电压中点引出，为缓冲单元的隔离器件的输出侧与逆变单元间的电路供电，所以，本发明实现了调理单元与控制器间的隔离，这一隔离措施保证了控制器不受隔离器件与开关管间的电路的不良影响，有效保护了控制器。

2、由于本发明有两组电源供电，其中一组电源正极或负极由直流单元的电压中点引出，所以，隔离缓冲驱动单元中的隔离器件原副边之间的绝缘强度能满足长期耐受半母线电压的要求即可(考虑到电压中点波动，绝缘强度应略高于长期耐受半母线电压的要求)，从而所使用的隔离器件的耐压要求有了明显地降低。

3、由于本发明采用了分段处理电气绝缘方式，一段是由强电IGBT开关管到电压中点的绝缘，另一段是由电压中点到弱电控制器的绝缘，所以，整个逆变回路的绝缘体系分成两段，每段的绝缘强度要求是整体的二分之一，绝缘强度要求降低了。

4、本发明中的调理单元可抑制信号在传输过程中引入的干扰，解决控制信号延时导致的时序错误和控制实时性问题，其完善了控制器对开关管的控制，保证了信号的安全性。

5、由于本发明中的缓冲单元对信号进行了加强，因此，信号传输距离可以适当加长，这样方便了变频器装置进行合理化空间布置。

本发明隔离缓冲型三电平逆变回路绝缘隔离安全可靠，整体布局灵活方便，在不损失性能的前提下，降低了对隔离器件的电压应力要求，降低了整个电路绝缘安全性对器件的要求，是一种低成本、高性能的产品设计。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1、一种隔离缓冲型三电平逆变回路，它包括直流单元、逆变单元、控制器，直流单元与逆变单元相连，其特征在于：

在所述逆变单元与所述控制器之间设有一隔离缓冲驱动单元，所述逆变单元通过该隔离缓冲驱动单元与所述控制器相连，其中：该隔离缓冲驱动单元包括缓冲单元、调理单元和驱动单元，所述控制器的控制信号输出端依次经由缓冲单元、调理单元、驱动单元而与所述逆变单元的IGBT开关管的门极连接，一个控制信号输出端对应控制一个IGBT开关管的门极。

2、根据权利要求1所述的三电平逆变回路，其特征在于：

所述缓冲单元设有12组缓冲子单元，每一组缓冲子单元包括一反相器、一隔离器件，该反相器的输入端与所述控制器上与其相对应的一控制信号输出端相接，该反相器的输出端与该隔离器件的输入端相接，该隔离器件的输出端与所述调理单元相连；

所述驱动单元设有12组驱动子单元，每一组驱动子单元包括一隔离器件、两个图腾柱，该两个图腾柱串联构成一信号放大电路，该隔离器件的输入端与所述调理单元相连，该隔离器件的输出端经由该信号放大电路和一电阻与所述逆变单元上与其相对应的一IGBT开关管的门极相接。

3、根据权利要求2所述的三电平逆变回路，其特征在于：

所述隔离缓冲驱动单元设有两组供电电源，第一组供电电源与所述控制器的供电电源相同，该第一组供电电源为所述缓冲单元的隔离器件的输入侧与所述控制器间的电路供电，第二组供电电源的正极或负极由所述直流单元的电压中点引出，该第二组供电电源为所述缓冲单元的隔离器件的输出侧与所述逆变单元间的电路供电。

4、根据权利要求3所述的三电平逆变回路，其特征在于：

所述调理单元包括滤波模块和整形模块，其中：该整形模块设有12组整形子模块，每组整形子模块包括两个反相器，该两个反相器串联构成一整形电路，该整形电路的输入端与所述缓冲单元中与其相对应的缓冲子单元中的隔离器件的输出端相接；该滤波模块设有12组滤波子模块，每组滤波子模块包括一电容、一电阻和一反相器，该反相器的输入端经该电阻与整形模块中与其相对应的整形子模块中的整形电路输出端相接，该反相器的输出端与所述驱动单元中与其相对应的驱动子单元的隔离器件的输入端相接，该电容接于反相器输入端与第二组供电电源负极之间。

5、根据权利要求4所述的三电平逆变回路，其特征在于：

所述调理单元还包括时序检测模块，该时序检测模块用于校正所述控制器输出的控制信号的时序错误，以防止各控制信号在传输过程中因延时与干扰造成的时序混乱。

6、根据权利要求4所述的三电平逆变回路，其特征在于：

所述调理单元还包括共模抑制器件，该共模抑制器件用于消除所述直流单元电压中点引入的共模干扰。

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