CN102437722A - 一种制动单元及电力变换设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制动单元以及电力变换设备，该制动单元利用电容中点钳位功能，选择两个低耐压开关管进行串联，实现更高电压等级的制动功能。与现有的制动单元相比，该制动单元可以应用到1140V、2300V、3300V等中压电力变换设备中，而且由于低耐压开关管的低成本优势，可以使整个系统实现低成本。
Description
技术领域
本发明涉及电子电力领域，具体涉及一种制动单元及电力变换设备。
背景技术
目前，电力变换设备(如变频器、列车牵引逆变器等)已广泛应用于电机控制领域。电机在某一些应用场景中(如减速、下放重物等)会将机械能转化为电能，此时将导致电力变换设备的母线电压升高，若不采取措施，将会导致电力变换设备过压故障。为了防止电力变换设备过压故障，通常会给电力变换设备额外配置制动单元，该制动单元中的制动电阻可以消耗掉多余的能量，从而保证电力变换设备的安全运行。
常见的制动单元的电路图如图1所示，该制动单元主要由电容C1、二极管D1、开关管Q1、B1电路网络、B2电路网络以及制动电阻R组成；其中，DC+表示电力变换设备的母线电压的高电位，DC-表示电力变换设备的母线电压的低电位，即电力变换设备的母线电压直接加载在电容C1两端；制动电阻R一端通过B1电路网络电连接D1负极，另一端通过B2电路网络电连接D1正极；开关管Q1基极用于接收驱动脉冲P。在Q1导通时，制动电阻R即可消耗掉母线电压升高所产生的多余能量。
实践中发现，图1所示的制动单元通常应用于低于或等于690V电压的电力变换设备，而对于1140V、2300V、3300V等中压电力变换设备则要求开关管Q1的耐压很高(如3300V)，而耐压很高的开关管的成本是很昂贵的，从而增加整体系统的成本。
发明内容
本发明提供了一种制动单元及电力变换设备，该制动单元可应用于1140V、2300V、3300V等中压电力变换设备，而且整体系统的成本低。
一种制动单元，包括：
第一电容C1(11)、第二电容C2(12)、第一开关管Q1(13)、第二开关管Q2(14)、第一钳位二极管D1(15)、第二钳位二极管D2(16)以及制动电阻R(17)；
其中，C1(11)和C2(12)的电容量相同；C1(11)一端用于与电力变换设备的母线电压高电位端电连接，C2(12)一端用于与电力变换设备的母线电压低电位端电连接，C1(11)另一端与C2(12)另一端电连接；
其中，Q1(13)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接，Q1(13)集电极与所述电力变换设备的母线电压高电位端电连接，Q1(13)发射极与D1(15)负极电连接，D1(15)正极与D2(16)负极电连接；D2(16)正极与Q2(14)集电极电连接，Q2(14)发射极与所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接，Q2(14)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接；R(17)一端电连接Q1(13)发射极，另一端电连接Q2(14)集电极；C1(11)和C2(12)电连接中点与D1和D2的电连接中点电连接。
相应地，一种电力变换设备，包括上述的制动单元；其中，电力变换设备的母线电压高电位端电连接所述制动单元中的所述C1(11)一端，所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接所述制动单元中的所述C2(12)一端。
另一种制动单元，包括：
第一电容C1(11)、第二电容C2(12)、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT模块1(22)、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT模块2(23)以及制动电阻R(17)；
所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT模块1(22)包括第一开关管Q1(221)、第二开关管Q2(222)、第一续流二极管D(223)以及第二续流二极管D(224)；
所述第二绝缘栅双极型晶体管IGBT模块2(23)包括第三开关管Q3(231)、第四开关管Q4(232)、第三续流二极管D(233)以及第四续流二极管D(234)；
其中，C1(11)和C2(12)的电容量相同；C1(11)一端用于与电力变换设备的母线电压高电位端电连接，C2(12)一端用于与电力变换设备的母线电压低电位端电连接，C1(11)另一端与C2(12)另一端电连接；
其中，Q1(221)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接，Q1(221)集电极与所述电力变换设备的母线电压高电位端电连接，Q1(221)发射极与D(223)正极电连接，D(223)负极与Q1(221)集电极连接；Q1(221)发射极与Q2(222)集电极电连接，Q2(222)发射极与D(224)正极电连接，D(224)负极与Q2(222)的集电极电连接；
其中，Q3(231)集电极与Q2(222)发射极电连接，Q3(231)发射极与D(233)正极电连接，D(233)负极与Q3(231)集电极连接；Q3(231)发射极与Q4(234)集电极电连接，Q4(234)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接；Q4(234)发射极与所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接，以及Q4(234)发射极与D(234)正极电连接，D(234)负极与Q4(232)的集电极电连接；R(17)一端电连接Q1(221)发射极和Q2(222)集电极，另一端电连接Q3(231)发射极和Q4(232)集电极；C1(11)和C2(12)电连接中点与Q2(222)和Q3(231)的电连接中点电连接。
相应地，一种电力变换设备，包括上述的另一种制动单元；其中，电力变换设备的母线电压高电位端电连接上述的制动单元中的所述C1(11)一端，所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接上述的制动单元中的所述C2(12)一端。
本发明提供的制动单元利用电容中点钳位功能，可以选择两个低耐压开关管进行串联，实现更高电压等级的制动功能，从而可以应用到1140V、2300V、3300V等中压电力变换设备(如变频器)中，而且利用低耐压开关管的低成本优势，可以实现整个系统的低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的制动单元的电路图；
图2为本发明提供的一种制动单元的电路图；
图3为本发明提供的一种电力变换设备的电路图；
图4为本发明提供的另一种制动单元的电路图；
图5为本发明提供的另一种电力变换设备的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种制动单元，该制动单元可应用于1140V、2300V、3300V等中压电力变换设备，而且整体系统的成本低。本发明中，电力变换设备可以是变频器、轨道交通逆变器等逆变系统。
请参阅图2，图2为本发明提供的一种制动单元的电路图。如图2所示，该制动单元可以包括：
第一电容C1(11)、第二电容C2(12)、第一开关管Q1(13)、第二开关管Q2(14)、第一钳位二极管D1(15)、第二钳位二极管D2(16)以及制动电阻R(17)；
其中，C1(11)和C2(12)的电容量相同；C1(11)一端用于与电力变换设备的母线电压高电位端电连接，C2(12)一端用于与电力变换设备的母线电压低电位端电连接，C1(11)另一端与C2(12)另一端电连接；
其中，Q1(13)控制脚(如基极)与开关管驱动脉冲输出端电连接，Q1(13)集电极与所述电力变换设备的母线电压高电位端电连接，Q1(13)发射极与D1(15)负极电连接，D1(15)正极与D2(16)负极电连接；D2(16)正极与Q2(14)集电极电连接，Q2(14)发射极与所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接，Q2(14)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接；R(17)一端电连接Q1(13)发射极，另一端电连接Q2(14)集电极；C1(11)和C2(12)电连接中点与D1和D2的电连接中点电连接，实现电容中点钳位功能。
本发明中，Q1(13)控制脚(如基极)、Q2(14)控制脚(如基极)可以分别与开关管驱动脉冲输出端电连接，也就是说Q1(13)控制脚(如基极)、Q2(14)控制脚(如基极)可以分别接收开关管驱动脉冲，并启动开关管工作。其中，开关管驱动脉冲输出端是开关管驱动电路的脉冲输出端。开关管驱动电路是本领域普通技术人员所公知的常识，本发明不作具体介绍。
如图2所示，本发明提供的制动单元中，还可以包括：
第一静态均压电阻R1(18)和第二静态均压电阻R2(19)；
所述R1(18)两端分别电连接C1(11)两端；R2(19)两端分别电连接C2(12)两端。
如图2所示，本发明提供的制动单元中，还可以包括：
第一电路网络B1(20)；
所述制动电阻R(17)一端电连接所述第一电路网络B1(20)一侧，所述第一电路网络B1(20)另一侧电连接Q1(13)发射极；所述第一电路网络B1(20)用于将所述制动电阻R(17)一端与所述Q1(13)发射极电连接。
如图2所示，本发明提供的电力变换设备制动单元中，还可以包括：
第二电路网络B2(21)；
所述制动电阻R(17)另一端电连接所述第二电路网络B2(21)一侧，所述第二电路网络B2(21)另一侧电连接Q2(14)集电极；所述第二电路网络B2(14)用于将所述制动电阻R(17)另一端与所述Q2(14)集电极电连接。
本发明中，所述第一开关管Q1可以是绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)。
作为一种可选的实施方式，所述第一开关管Q1(13)和所述第一钳位二极管D1(15)可以被封装在一个模块中。
本发明中，所述第二开关管Q2(14)也可以为IGBT。
作为一种可选的实施方式，所述第二开关管Q2(14)和所述第二钳位二极管D2(16)也可以被封装在一个模块中。
本发明中，若电力变换设备(如变频器)的母线电压高于预设阀值Ub，则所述第一开关管Q1(13)和第二开关管Q2(14)导通，此时所述制动电阻R(17)可以消耗多余能量；若电力变换设备(如变频器)的母线电压低于所述预设阀值Ub，则所述第一开关管Q1(13)和第二开关管Q2(14)关断。
为了进一步理解本发明提供的制动单元，下面对图2所示的制动单元的工作原理进行描述。
在图2中，电力变换设备的母线电压Udc的高电位端DC+、低电位端DC-分别电连接C1正极和C2负极。也就是说，母线电压Udc直接加载到串联的C1和C2上。由于C1和C2相同，所以C1和C2上的负压均为母线电压Udc的一半，从而可以保证Q1和Q2可选择低耐压的IGBT。当母线电压Udc高于预设阀值Ub时，Q1和Q2同时导通，这时母线电压Udc经DC+→Q1→B1→制动电阻R→B2→Q2→DC-放电，制动电阻R将消耗多余的能量；当放电到一定程度，母线电压Udc低于预设阀值Ub时，Q1和Q2同时关断，这时制动电阻和B1、B2的引线电感能量经D2、D1续流，该过程时间很短，制动结束。整个工作过程中，Q1和D1的组合体的电压不高于C1电压，Q2和D2的组合体的电压不高于C2电压。图2中的R1和R2分别为电容C1和C2的静态均压电阻。
在实际应用中，Q1和Q2不会理想地完全同步导通或关断，这时将体现出电容C1和C2的中点钳位功能。在Q1和Q2的开关过程中，如Q1导通Q2不导通，这时C1的电压经Q1→B1→制动电阻R→B2→D2放电，同时C2的电压经DC+→Q1→B1→制动电阻→B2→D2→C2→DC-充电，但由于Q1和Q2不同步的时间很短，而且C1和C2上电压不会突变，因此Q1和D1的组合体以及Q2和D2的组合体上的耐压也没变化，仍为Udc的一半。如Q2导通Q1不导通，这时C2的电压经D1→B1→制动电阻R→B2→Q2放电，同时C1的电压经DC+→C1→D1→B1→制动电阻→B2→Q2→DC-充电，但由于Q1和Q2不同步的时间很短，C1和C2上电压不会突变，因此Q1和D1的组合体以及Q2和D2的组合体上的耐压也没变化，仍为Udc的一半。
实践表明，在中压电力变换设备(1140V以上)中采用图2所示的制动单元比采用图1所示的制动单元的整体系统成本要低30％以上。
在图2所示的制动单元的基础上，本发明还相应地提供一种电力变换设备，该电力变换设备的电路图如图3所示，其中，该电力变换设备的母线电压高电位端电连接制动单元中的所述C1(11)一端，该电力变换设备的母线电压低电位端电连接制动单元中的所述C2(12)一端。本发明提供的电力变换设备整个系统的成本较低。
实际应用中，本发明提供的制动单元也可以如图4所示，包括：
第一电容C1(11)、第二电容C2(12)、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT模块1(22)、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT模块2(23)以及制动电阻R(17)；
所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT模块1(22)包括第一开关管Q1(221)、第二开关管Q2(222)、第一续流二极管D(223)以及第二续流二极管D(224)；
所述第二绝缘栅双极型晶体管IGBT模块2(23)包括第三开关管Q3(231)、第四开关管Q4(232)、第三续流二极管D(233)以及第四续流二极管D(234)；
其中，C1(11)和C2(12)的电容量相同；C1(11)一端用于与电力变换设备的母线电压高电位端电连接，C2(12)一端用于与电力变换设备的母线电压低电位端电连接，C1(11)另一端与C2(12)另一端电连接；
其中，Q1(221)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接，Q1(221)集电极与所述电力变换设备的母线电压高电位端电连接，Q1(221)发射极与D(223)正极电连接，D(223)负极与Q1(221)集电极连接；Q1(221)发射极与Q2(222)集电极电连接，Q2(222)发射极与D(224)正极电连接，D(224)负极与Q2(222)的集电极电连接；
其中，Q3(231)集电极与Q2(222)发射极电连接，Q3(231)发射极与D(233)正极电连接，D(233)负极与Q3(231)集电极连接；Q3(231)发射极与Q4(234)集电极电连接，Q4(234)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接；Q4(234)发射极与所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接，以及Q4(234)发射极与D(234)正极电连接，D(234)负极与Q4(232)的集电极电连接；R(17)一端电连接Q1(221)发射极和Q2(222)集电极，另一端电连接Q3(231)发射极和Q4(232)集电极；C1(11)和C2(12)电连接中点与Q2(222)和Q3(231)的电连接中点电连接，，实现电容中点钳位功能。
如图4所示，本发明提供的制动单元中，还可以包括：
第一静态均压电阻R1(18)和第二静态均压电阻R2(19)；
所述R1(18)两端分别电连接C1(11)两端；R2(19)两端分别电连接C2(12)两端。
如图3所示，本发明提供的制动单元中，还可以包括：
第一电路网络B1(20)和第二电路网络B2(21)；
R(17)一端电连接所述第一电路网络B1(20)一侧，所述第一电路网络B1(20)另一侧电连接Q1(221)发射极和Q2(222)集电极；所述第一电路网络B1(20)用于将所述R(17)一端与所述Q1(221)发射极和Q2(222)集电极电连接；
R(17)另一端电连接所述第二电路网络B2(21)一侧，所述第二电路网络B2(21)另一侧电连接Q3(231)发射极和Q4(232)集电极；所述第二电路网络B2(21)用于将所述R(17)另一端与Q3(231)发射极和Q4(232)集电极电连接。
在图4所示的制动单元中，IGB T1的下管(即Q2(223)和D(224)的组合体)和IGBT2的上管(即Q3(231)和D(233)的组合体)不参与工作，一直处于关断状态。
本发明提供的制动单元利用电容中点钳位功能，可以选择两个低耐压开关管进行串联，实现更高电压等级的制动功能，从而可以应用到1140V、2300V、3300V等中压电力变换设备(如变频器)中，而且利用低耐压开关管的低成本优势，可以实现整个系统的低成本。
在图4所示的制动单元的基础上，本发明还相应地提供另一种电力变换设备，该电力变换设备的电路图如图5所示，其中，该电力变换设备的母线电压高电位端电连接制动单元中的所述C1(11)一端，该电力变换设备的母线电压低电位端电连接制动单元中的所述C2(12)一端。本发明提供的电力变换设备整个系统的成本较低。
以上对本发明所提供的一种制动单元及电力变换设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (12)
1.一种制动单元，其特征在于，包括：
第一电容C1(11)、第二电容C2(12)、第一开关管Q1(13)、第二开关管Q2(14)、第一钳位二极管D1(15)、第二钳位二极管D2(16)以及制动电阻R(17)；
其中，C1(11)和C2(12)的电容量相同；C1(11)一端用于与电力变换设备的母线电压高电位端电连接，C2(12)一端用于与电力变换设备的母线电压低电位端电连接，C1(11)另一端与C2(12)另一端电连接；
其中，Q1(13)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接，Q1(13)集电极与所述电力变换设备的母线电压高电位端电连接，Q1(13)发射极与D1(15)负极电连接，D1(15)正极与D2(16)负极电连接；D2(16)正极与Q2(14)集电极电连接，Q2(14)发射极与所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接，Q2(14)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接；R(17)一端电连接Q1(13)发射极，另一端电连接Q2(14)集电极；C1(11)和C2(12)电连接中点与D1和D2的电连接中点电连接。
2.根据权利要求1所述的制动单元，其特征在于，还包括：
第一静态均压电阻R1(18)和第二静态均压电阻R2(19)；
所述R1(18)两端分别电连接C1(11)两端；R2(19)两端分别电连接C2(12)两端。
3.根据权利要求1所述的制动单元，其特征在于，还包括：
第一电路网络B1(20)；
R(17)一端电连接所述第一电路网络B1(20)一侧，所述第一电路网络B1(20)另一侧电连接Q1(13)发射极；所述第一电路网络B1(20)用于将所述R(17)一端与所述Q1(13)发射极电连接。
4.根据权利要求1所述的制动单元，其特征在于，还包括：
第二电路网络B2(21)；
R(17)另一端电连接所述第二电路网络B2(21)一侧，所述第二电路网络B2(21)另一侧电连接Q2(14)集电极；所述第二电路网络B2(21)用于将所述R(17)另一端与所述Q2(14)集电极电连接。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的制动单元，其特征在于，
所述Q1(13)为绝缘栅双极型晶体管；
所述Q2(14)为绝缘栅双极型晶体管。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的制动单元，其特征在于，
所述Q1和所述D1被封装在一个模块中；
所述Q2和所述D2被封装在一个模块中。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的制动单元，其特征在于，
若所述电力变换设备的母线电压高于预设阀值Ub，则所述Q1(13)和Q2(14)导通，所述制动电阻R(17)消耗多余能量；若所述电力变换设备的母线电压低于所述预设阀值Ub，则所述Q1(13)和Q2(14)关断。
8.一种电力变换设备，其特征在于，包括上述权利要求1～7任意一项所述的制动单元；其中，所述电力变换设备的母线电压高电位端电连接所述制动单元中的所述C1(11)一端，所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接所述制动单元中的所述C2(12)一端。
9.一种制动单元，其特征在于，包括：
第一电容C1(11)、第二电容C2(12)、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT模块1(22)、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT模块2(23)以及制动电阻R(17)；
所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT模块1(22)包括第一开关管Q1(221)、第二开关管Q2(222)、第一续流二极管D(223)以及第二续流二极管D(224)；
所述第二绝缘栅双极型晶体管IGBT模块2(23)包括第三开关管Q3(231)、第四开关管Q4(232)、第三续流二极管D(233)以及第四续流二极管D(234)；
其中，C1(11)和C2(12)的电容量相同；C1(11)一端用于与电力变换设备的母线电压高电位端电连接，C2(12)一端用于与电力变换设备的母线电压低电位端电连接，C1(11)另一端与C2(12)另一端电连接；
其中，Q1(221)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接，Q1(221)集电极与所述电力变换设备的母线电压高电位端电连接，Q1(221)发射极与D(223)正极电连接，D(223)负极与Q1(221)集电极连接；Q1(221)发射极与Q2(222)集电极电连接，Q2(222)发射极与D(224)正极电连接，D(224)负极与Q2(222)的集电极电连接；
其中，Q3(231)集电极与Q2(222)发射极电连接，Q3(231)发射极与D(233)正极电连接，D(233)负极与Q3(231)集电极连接；Q3(231)发射极与Q4(234)集电极电连接，Q4(234)控制脚与开关管驱动脉冲输出端电连接；Q4(234)发射极与所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接，以及Q4(234)发射极与D(234)正极电连接，D(234)负极与Q4(232)的集电极电连接；R(17)一端电连接Q1(221)发射极和Q2(222)集电极，另一端电连接Q3(231)发射极和Q4(232)集电极；C1(11)和C2(12)电连接中点与Q2(222)和Q3(231)的电连接中点电连接。
10.根据权利要求9所述的制动单元，其特征在于，还包括：
第一静态均压电阻R1(18)和第二静态均压电阻R2(19)；
所述R1(18)两端分别电连接C1(11)两端；R2(19)两端分别电连接C2(12)两端。
11.根据权利要求9所述的制动单元，其特征在于，还包括：
第一电路网络B1(20)和第二电路网络B2(21)；
R(17)一端电连接所述第一电路网络B1(20)一侧，所述第一电路网络B1(20)另一侧电连接Q1(221)发射极和Q2(222)集电极；所述第一电路网络B1(20)用于将所述R(17)一端与所述Q1(221)发射极和Q2(222)集电极电连接；
R(17)另一端电连接所述第二电路网络B2(21)一侧，所述第二电路网络B2(21)另一侧电连接Q3(231)发射极和Q4(232)集电极；所述第二电路网络B2(21)用于将所述R(17)另一端与Q3(231)发射极和Q4(232)集电极电连接。
12.一种电力变换设备，其特征在于，包括上述权利要求9～11任意一项所述的制动单元；其中，所述电力变换设备的母线电压高电位端电连接所述制动单元中的所述C1(11)一端，所述电力变换设备的母线电压低电位端电连接所述制动单元中的所述C2(12)一端。
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