CN101984546B - 功率开关器件串联限压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率开关器件串联限压电路，包括由多个功率开关器件Q1～Qn组成的功率开关器件串联支路，所述功率开关器件包括控制端、高端SD和低端WD，所述功率开关器件串联支路中，多个功率开关器件Q1～Qn串联方式为一个功率开关器件的高端SD与另一个功率开关器件的低端WD依次串联，还包括多个能量暂存电路K1～Kn，每个功率开关器件的两端对应并联一个能量暂存电路，用于储存各个功率开关器件开、关不同步而短暂流过的负载电流的能量，还包括对所述功率开关器件串联支路进行限压的集中限压电路H。本发明限压电路使用一个集中限压功能电路U，一次完成调节电压限制值。
Description
技术领域
本发明涉及一种限压电路，尤其涉及一种对串联应用的每个功率开关器件两端电压进行自动幅度限定的电路，同时具有能量回收功能的限压电路。
背景技术
电网提供给用户的电能形式通常是工频（50Hz或60Hz）交流电能，而用户实际使用的却千差万别，如使用直流电的（如电解铝）、有使用高频交流的（如感应加热），有需要频率电压可调的（如电动机变频调速）等等，所以经常需要用变流器进行电能变换。其中功率开关器件是变流器的核心部件，是实现电能变换的常用和有效手段。
限于目前半导体工业的水平，例如目前可以批量提供的绝缘栅双极晶体管IGBT的耐压限值为1700伏、3300伏等级，还无法用单个功率开关器件直接处理高电压，如10千伏、500千伏等，同时也由于低压功率开关器件的成本较低，因此，实际应用中常常将低压功率开关器件串联起来，使用多只串联来解决耐压不足的问题。由于功率开关器件和其控制电路的参数具有离散性，包括温度敏感性和时变性，功率开关器件的开通过程、关断过程的时间长短可能不一致，会造成功率开关器件串联支路中，开通过程较长、关断过程较短的功率开关器件承受较高的电压，截止时器件漏电流小的承受较高的电压。较高的电压对功率开关器件工作不利，甚至超过功率开关器件的耐压限值而导致其击穿损坏。所以，功率开关器件串联应用时，需要采取特别措施，限制其两端电压在安全的范围内，比如在其耐压限值的70%以内。
针对功率开关器件串联应用，目前使用的技术方法是在每个功率开关器件上并联一个动静态均压吸收单元电路，该单元电路由二极管、电容、并联稳压电路构成，可以实现电压限制功能。如中国发明专利申请“一种能自动均压的串联式功率开关桥臂”（申请号：01108712.9），公布了一种功率开关器件两端电压的限制电路，其电路形式如图1所示。
现有使用技术方法存在如下缺陷：第一，一个功率开关器件对应一个并联稳压电路，并联稳压电路使用的数量多，元件个数多，利用率较低。第二，而且每个并联稳压电路需要独立调试，改变稳压值时，需要改动所有的并联稳压电路，工作量大。第三，并联稳压电路采用能量消耗型设计，需要消耗电能，导致应用此技术的整机效率下降。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术中，并联稳压电路使用的数量多，元件个数多，利用率较低，同时，每个并联稳压电路需要独立调试，改变稳压值时，需要改动所有的并联稳压电路，工作量大的技术问题。本发明还克服现有技术中，并联稳压电路采用能量消耗型设计，需要消耗电能，导致应用此技术的整机效率下降等技术问题。
本发明的技术方案是：提供一种功率开关器件串联限压电路，包括由多个功率开关器件Q1～Qn组成的功率开关器件串联支路，所述功率开关器件包括控制端、高端SD和低端WD，所述功率开关器件串联支路中，多个功率开关器件Q1～Qn串联方式为一个功率开关器件的高端SD与另一个功率开关器件的低端WD依次串联，其特征在于，还包括多个能量暂存电路K1～Kn，每个功率开关器件并联一个能量暂存电路,所述能量暂存电路K1～Kn分别包括箝位二极管D1～Dn、储能电容C1～Cn、静态均压电阻R1～Rn、储能返回端CF1～CFn，每一个能量暂存电路中，所述储能电容和静态均压电阻并联后形成储能返回端再与所述箝位二极管串联，还包括对所述功率开关器件串联支路进行限压的集中限压电路H,所述集中限压电路H包括限压功能电路U以及多个将所述相应能量暂存电路K暂存的能量集中的能量集中二极管JD2～JDn，所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极、阴极依次串联, 所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极分别与储能返回端CF2～CFn相连，所述能量集中二极管JD2的阴极与储能返回端CF1相连。
本发明的进一步技术方案是：所述能量暂存电路中，储能电容和静态均压电阻并联后，一端与箝位二极管的阴极连接形成储能返回端，另一端连接到与所述能量暂存电路并联的功率开关器件的低端WD，所述箝位二极管的阳极连接到与所述能量暂存电路并联的功率开关器件的高端SD。
本发明的进一步技术方案是：所述能量暂存电路中，储能电容和静态均压电阻并联后，一端与箝位二极管的阳极连接形成储能返回端，另一端连接到与所述能量暂存电路并联的功率开关器件的高端SD，所述箝位二极管的阴极连接到与所述能量暂存电路并联的功率开关器件的低端WD。
本发明的进一步技术方案是：所述集中限压电路H包括限压功能电路U以及多个将所述相应能量暂存电路K暂存的能量集中的能量集中二极管JD2～JDn，所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极、阴极依次串联，所述JD2～JDn的阳极分别与相应的多个储能返回端CF2～CFn相连，所述JD2的阴极与第一个储能返回端CF1相连，所述集中限压电路H还包括能量集中二极管JD1，所述限压功能电路U的高电压端U+与能量集中二极管JD1的阴极相连，低电压端U-与第一个所述功率开关器件Q1的高端SD相连，所述能量集中二极管JD1的阳极与第一个所述能量暂存电路K1的储能返回端CF1相连。
本发明的进一步技术方案是：所述集中限压电路H包括限压功能电路U以及多个将所述相应能量暂存电路K暂存的能量集中的能量集中二极管JD2～JDn，所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极、阴极依次串联，所述JD2～JDn阳极分别与相应的多个储能返回端CF2～CFn相连，所述JD2的阴极与第一个储能返回端CF1相连，所述集中限压电路H还包括能量集中二极管JD1，所述限压功能电路U的低电压端U-与能量集中二极管JD1的阳极相连，高电压端U+与最末一个所述功率开关器件Qn的低端WD相连，所述能量集中二极管JD1的阴极与最末一个所述能量暂存电路Kn的储能返回端CFn相连。
本发明的进一步技术方案是：所述除能量集中二极管JD1外的其它能量集中二极管两端与相邻的两个储能返回端CF相连或者间隔一个或多个储能返回端CF相连。
本发明的进一步技术方案是：所述限压功能电路U为将流入的能量返回供电电源或提供给负载的变换器。
本发明的进一步技术方案是：还包括用于吸收所述功率开关器件浪涌电压的浪涌吸收电路或元件LY1～LYn，所述浪涌吸收电路或元件LY1～LYn分别与相应的所述功率开关器件Q1～Qn并联。
本发明的进一步技术方案是：所述能量集中二极管JD由一个二极管串联一个电感组成。
本发明的技术效果是：提供一种功率开关器件串联限压电路，该限压电路使用一个集中限压电路，一次完成调节电压限制值。同时采用多个与功率开关器件配合使用的能量暂存电路，将限压电路流入的能量返回供电电源或提供给负载而得到有效利用，提高整体效率。
附图说明
图1为现有技术串联式功率开关桥臂的电路图；
图2为本发明的电路图。
图3为本发明另一种实施方式的电路图。
图4为本发明功率开关器件稳定导通时的等效电原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。
如图2所示，本发明的具体实施方式是：提供一种功率开关器件串联限压电路，包括由多个功率开关器件Q1～Qn组成的功率开关器件串联支路，所述功率开关器件包括控制端、高端SD和低端WD。所述功率开关器件串联支路中，多个功率开关器件Q1～Qn串联方式为一个功率开关器件的高端SD与另一个功率开关器件的低端WD依次串联，即：Q1的低端与Q2的高端相连，Q2的低端与Q3的高端相连，依次类推，Qn-1的低端与Qn的高端相连。还包括多个能量暂存电路K1～Kn，每个功率开关器件的两端对应并联一个用于储存功率开关器件开、关不同步时的负载电流短暂流过能量的能量暂存电路，相应的多个能量暂存电路K1、K2……Kn分别对应并联于多个所述功率开关器件Q 1、Q2……Qn的两端。所述能量暂存电路K依次串联，即能量暂存电路K1与能量暂存电路K2串联，能量暂存电路K2与能量暂存电路K3串联，依次类推，能量暂存电路Kn-1与能量暂存电路Kn串联。所述能量暂存电路K1～Kn分别包括箝位二极管D1～Dn、储能电容C1～Cn、静态均压电阻R1～Rn、储能返回端CF1～CFn，每一个能量暂存电路中，所述储能电容和静态均压电阻并联后形成储能返回端再与所述箝位二极管串联，所述能量暂存电路与所述功率开关器件并联。所述储能电容和静态均压电阻并联后，一端与箝位二极管的阴极连接形成储能返回端，另一端接所述功率开关器件的低端WD，所述箝位二极管的阳极与所述功率开关器件的高端SD相连。还包括对所述功率开关器件串联支路进行限压的集中限压电路H。所述集中限压电路H包括限压功能电路U以及多个将所述相应能量暂存电路K暂存的能量集中的能量集中二极管JD1～JDn，所述多个能量集中二极管JD1～JDn的阳极、阴极依次串联, 所述多个能量集中二极管JD1～JDn分别与储能返回端CF1～CFn相连。本发明提供的一种功率开关器件串联限压电路，采用了与功率开关器件配合的能量暂存电路, 相应的多个能量暂存电路K1、K2……Kn分别对应并联于多个所述功率开关器件Q 1、Q2……Qn的两端, 能量暂存电路K1、K2……Kn分别将功率开关器件Q 1、Q2……Qn开关过程不同步的负载电流能量暂时储存起来，在功率开关器件Q 1、Q2……Qn稳定导通期间，将暂时储存起来的能量逐级传递到限压功能电路U中处理。本发明中，只使用了一个集中限压电路U，使用元件数量少，即可一次完成电压限制值的调节，十分方便。
如图2所示，本发明的一种优选实施方式是：所述集中限压电路H包括限压功能电路U以及多个将所述相应能量暂存电路K暂存的能量集中的能量集中二极管JD2～JDn，所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极、阴极依次串联，所述JD2～JDn阳极分别与相应的多个储能返回端CF2～CFn相连，所述能量集中二极管JD2的阴极与储能返回端CF1相连，所述集中限压电路H还包括能量集中二极管JD1，所述限压功能电路U的高电压端U+与能量集中二极管JD1的阴极相连，所述限压功能电路U的低电压端U-与第一个所述功率开关器件的高端SD相连，所述能量集中二极管JD1的阳极与第一个能量暂存电路K1的储能返回端CF1相连。
具体来说：每个功率开关器件两端对应并联一个能量暂存电路，所有能量暂存电路的形式一致，第i个能量暂存电路Ki由箝位二极管Di、储能电容Ci、静态均压电阻Ri组成，其中储能电容Ci和静态均压电阻Ri并联后，一端与箝位二极管Di的阴极连接形成储能返回端CFi，另一端接功率开关器件Qi的低端，所述箝位二极管Di的阳极与功率开关器件Qi的高端相连。同时，本发明中，第i个能量集中二极管JDi的阳极接第i个能量暂存电路的储能返回端CFi，阴极接第i-1个能量暂存电路的储能返回端CFi-1，依次类推。一种实施例，所述限压功能电路U并联在储能电容C1的两端，所述限压电路U是一个并联稳压器，在流入电能时保持两端电压基本不变，没有能量集中二极管JD1。
另一种实施例，有能量集中二极管JD1,所述限压功能电路U的高电压端U+与能量集中二极管JD1的阴极相连，低电压端U-与功率开关器件串联支路的首端SD相连，所述能量集中二极管JD1的阳极接第一个能量暂存电路的储能返回端CF1。
如图3所示，本发明的一种优选实施方式是：所述能量暂存电路K1～Kn分别包括箝位二极管D1～Dn、储能电容C1～Cn、静态均压电阻R1～Rn、储能返回端CF1～CFn，每一个能量暂存电路中，所述储能电容和静态均压电阻并联后形成储能返回端再与所述箝位二极管串联，所述能量暂存电路与所述功率开关器件并联。所述储能电容和静态均压电阻并联后，一端与箝位二极管的阳极连接形成储能返回端，另一端接所述功率开关器件的高端SD，所述箝位二极管的阴极与所述功率开关器件的低端WD相连。所述集中限压电路H包括限压功能电路U以及多个将所述相应能量暂存电路K暂存的能量集中的能量集中二极管JD2～JDn，所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极、阴极依次串联，所述JD2～JDn阳极分别与相应的多个储能返回端CF2～CFn相连，所述集中限压电路H还包括能量集中二极管JD1，所述限压功能电路U的低电压端U-与能量集中二极管JD1的阳极相连，所述限压功能电路U的高电压端U+与最末一个所述功率开关器件的低端WD相连，所述能量集中二极管JD1的阴极与最末一个所述能量暂存电路Kn的储能返回端CFn相连。
具体来说：每个功率开关器件两端对应并联一个能量暂存电路，所有能量暂存电路的形式一致，第i个能量暂存电路由箝位二极管Di、储能电容Ci、静态均压电阻Ri组成，其中储能电容Ci和静态均压电阻Ri并联后，一端与箝位二极管Di的阳极连接形成储能返回端CFi，另一端接功率开关器件Qi的高端，所述箝位二极管Di的阴极与功率开关器件Qi的低端相连。同时，本发明中，第i个能量集中二极管JDi的阳极接第i个能量暂存电路的储能返回端CFi，阴极接第i-1个能量暂存电路的储能返回端CFi-1；一种实施例中，所述限压电路U并联在储能电容Cn的两端，所述限压电路U是一个并联稳压器，在流入电能时保持两端电压基本不变，没有能量集中二极管JD1。
另一种实施例中，有能量集中二极管JD1,所述限压功能电路U的高电压端U+与功率开关器件串联支路的尾端WD相连，低电压端U-与能量集中二极管JD1的阳极相连，所述能量集中二极管JD1的阴极接最后一个能量暂存电路的储能返回端CFn。
本发明的具体实施过程中，在多只串联的功率开关器件受控需要同步开通时，其中某个开通慢的功率开关器件Qi在其它功率开关器件已经导通后，经历短时间延时如1微秒也转变为导通状态。在该短时间延时期间，负载电流通过并联于该开通慢的功率开关器件Qi两端的能量暂存电路，在储能电容Ci中积聚电荷，导致电压微量上涨。举例如下：如果负载电流为100安，延时时间为1微秒，储能电容Ci为10微法，电压上升量为10伏，即为100安*1微秒/10微法。
在多只串联的功率开关器件受控需要同步关断时，某个关断快的功率开关器件Qx在其它功率开关器件关断前提前关断，经历短时间延时如1微秒后其它功率开关器件也转变为关断状态。在该短时间延时期间，负载电流通过并联于该关断快的功率开关器件Qx两端的能量暂存电路形成通路，在储能电容Cx中积聚电荷，导致电压微量上涨。举例如下：如果负载电流为100安，延时时间为1微秒，储能电容Cx为10微法，电压上升量为10伏，即为100安*1微秒/10微法。
由于功率开关器件和控制电路的离散性，可能有多个储能电容有电压上升，上述计算为电压上升最大的两个，一个对应开通过程，一个对应关断过程，最不利情况的两个过程都是同一个储能电容电压上升最大，在上述例子中，电压上升最大为20伏。
而在多只串联的功率开关器件受控同步稳定导通期间，其等效电路如图4所示，此时，忽略了功率开关器件的导通压降。在上述过程中，暂时储存于储能电容Ci、储能电容Cx中的能量通过能量集中二极管，逐级流向限压功能电路U，直至其端电压等于限压功能电路U的稳压值停止，此时，忽略了能量集中二极管的导通压降。
在增加能量集中二极管JD1后，使得集中限压功能电路U1的参考点为功率开关器件串联支路的首端SD即功率开关器件Q1的高端，或尾端WD即功率开关器件Qn的低端，此时，为多条功率开关器件串联支路公用一个限压功能电路U创造了条件。通常在单相、或多相（如三相）逆变桥中，功率开关器件串联支路的首端SD是并接的，尾端WD也是并接的；而在升压电路和推挽电路中，功率开关器件串联支路的尾端WD通常是并接的。
为保证功率开关器件串联的端电压不超出限值，给每个功率开关器件两端并联浪涌吸收器，编号从LY1到LYn，为限压电路故障时提供进一步的保护，浪涌吸收器的箝位电压高于限压电路的稳压值，小于功率开关器件的耐压限值。
所述能量集中二极管JD由一个二极管串联一个电感组成，导电的方向不变。能量集中二极管串联一个电感，可以限制暂时储存于储能电容Ci中的能量，在功率开关器件串联支路稳定导通时，通过能量集中二极管逐级流向集中限压功能电路U1时的电流峰值。
本发明的具体实施例中，根据具体情况，所述除能量集中二极管JD1外的其它能量集中二极管两端与相邻的两个储能返回端CF相连或者间隔一个或多个储能返回端CF相连，其要求是：在功率开关器件串联支路稳定导通时，任意一个储能返回端CFi都有能量快速流到集中限压功能电路U1的通路。所述限压功能电路U还可以为将流入的能量返回供电电源或提供给负载的变换器。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种功率开关器件串联限压电路，包括由多个功率开关器件Q1～Qn组成的功率开关器件串联支路，所述功率开关器件包括控制端、高端SD和低端WD，所述功率开关器件串联支路中，多个功率开关器件Q1～Qn串联方式为一个功率开关器件的高端SD与另一个功率开关器件的低端WD依次串联，还包括多个能量暂存电路K1～Kn，每个功率开关器件两端并联一个能量暂存电路，所述能量暂存电路K1～Kn分别包括箝位二极管D1～Dn、储能电容C1～Cn、静态均压电阻R1～Rn、储能返回端CF1～CFn，每一个能量暂存电路中，所述储能电容和静态均压电阻并联后形成储能返回端再与所述箝位二极管串联，其特征在于，还包括对所述功率开关器件串联支路进行限压的集中限压电路H,所述集中限压电路H包括限压功能电路U以及多个将相应能量暂存电路暂存的能量集中的能量集中二极管JD2～JDn，所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极、阴极依次串联, 所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极分别与储能返回端CF2～CFn相连，所述能量集中二极管JD2的阴极与储能返回端CF1相连。
2.根据权利要求1所述功率开关器件串联限压电路，其特征在于，所述能量暂存电路中，储能电容和静态均压电阻并联后，一端与箝位二极管的阴极连接形成储能返回端，另一端连接到与所述能量暂存电路并联的功率开关器件的低端WD，所述箝位二极管的阳极连接到与所述能量暂存电路并联的功率开关器件的高端SD。
3.根据权利要求1所述功率开关器件串联限压电路，其特征在于，所述能量暂存电路中，储能电容和静态均压电阻并联后，一端与箝位二极管的阳极连接形成储能返回端，另一端连接到与所述能量暂存电路并联的功率开关器件的高端SD，所述箝位二极管的阴极连接到与所述能量暂存电路并联的功率开关器件的低端WD。
4.根据权利要求2所述功率开关器件串联限压电路，其特征在于，所述集中限压电路H包括限压功能电路U以及多个将相应能量暂存电路暂存的能量集中的能量集中二极管JD2～JDn，所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极、阴极依次串联，所述JD2～JDn阳极分别与相应的多个储能返回端CF2～CFn相连，所述能量集中二极管JD2的阴极与储能返回端CF1相连，所述集中限压电路H还包括能量集中二极管JD1，所述限压功能电路U的高电压端U+与能量集中二极管JD1的阴极相连，低电压端U-与第一个所述功率开关器件Q1的高端SD相连，所述能量集中二极管JD1的阳极与第一个能量暂存电路K1的储能返回端CF1相连。
5.根据权利要求3所述功率开关器件串联限压电路，其特征在于，所述集中限压电路H包括限压功能电路U以及多个将相应能量暂存电路暂存的能量集中的能量集中二极管JD2～JDn，所述多个能量集中二极管JD2～JDn的阳极、阴极依次串联，所述JD2～JDn阳极分别与相应的多个储能返回端CF2～CFn相连，所述能量集中二极管JD2的阴极与储能返回端CF1相连，所述集中限压电路H还包括能量集中二极管JD1，所述限压功能电路U的低电压端U-与能量集中二极管JD1的阳极相连，所述限压功能电路U的高电压端U+与最末一个所述功率开关器件Qn的低端WD相连，所述能量集中二极管JD1的阴极与最末一个能量暂存电路Kn的储能返回端CFn相连。
6.根据权利要求1所述功率开关器件串联限压电路，其特征在于，所述限压功能电路U为将流入的能量返回供电电源或提供给负载的变换器。
7.根据权利要求1所述功率开关器件串联限压电路，其特征在于，还包括用于吸收所述功率开关器件浪涌电压的浪涌吸收电路或元件LY1～LYn，所述浪涌吸收电路或元件LY1～LYn分别与相应的所述功率开关器件Q1～Qn并联。
8.根据权利要求1所述功率开关器件串联限压电路，其特征在于，所述能量集中二极管JD由一个二极管串联一个电感组成。
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