CN102832796A - 缓冲电路和具有该缓冲电路的逆变器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种缓冲电路和具有该缓冲电路的逆变器。根据本公开的逆变器可以包括用于对直流母线电压进行逆变的逆变单元、第一缓冲单元和第二缓冲单元。逆变单元可以包括按顺序串联连接在直流母线正电压端子和直流母线负电压端子之间的第一外管、第一内管、第二内管和第二外管。第一缓冲单元可以连接在直流母线负电压端子和第一内管之间，用于抑制第一内管的电压应力。第二缓冲单元可以连接在直流母线正电压端子和第二内管之间，用于抑制第二内管的电压应力。

Description

缓冲电路和具有该缓冲电路的逆变器

技术领域

本公开涉及逆变器技术领域，特别是涉及一种缓冲电路和具有该缓冲电路的逆变器。

背景技术

这个部分提供了与本公开有关的背景信息，这不一定是现有技术。

逆变器是一种用于将直流电转变为交流电的装置。对于诸如NPC(Neutralpoint clamped，中性点钳位)三电平逆变器之类的逆变器而言，内管电压应力过高是影响逆变器安全运行的问题之一。为解决该问题，逆变器可以设置有缓冲电路。当该缓冲电路需要外接的与主电路电气隔离的电源时，将会增大逆变器的体积和重量，并且使得控制变得相对复杂。

发明内容

这个部分提供了本公开的一般概要，而不是其全部范围或其全部特征的全面披露。

本公开的目的在于提供一种缓冲电路和具有该缓冲电路的逆变器，能够有效地抑制逆变器中的内管的电压应力，而不需要外接的与主电路电气隔离的电源。

一种逆变器可以包括用于对直流母线电压进行逆变的逆变单元、第一缓冲单元和第二缓冲单元。逆变单元可以包括按顺序串联连接在直流母线正电压端子和直流母线负电压端子之间的第一外管、第一内管、第二内管和第二外管。第一缓冲单元可以连接在直流母线负电压端子和第一内管之间，用于抑制第一内管的电压应力。第二缓冲单元可以连接在直流母线正电压端子和第二内管之间，用于抑制第二内管的电压应力。

一种逆变器的缓冲电路可以包括第一缓冲单元和第二缓冲单元。第一缓冲单元可以连接在直流母线负电压端子和逆变器的第一内管之间，用于抑制第一内管的电压应力。第二缓冲单元可以连接在直流母线正电压端子和逆变器的第二内管之间，用于抑制第二内管的电压应力。

根据本公开的缓冲电路和具有该缓冲电路的逆变器直接连接到直流母线正电压端子和直流母线负电压端子，而没有使用外接的与主电路电气隔离的电源。这样一来，可以减小逆变器的体积和重量，并且使得控制变得相对简单。

从在此提供的描述中，进一步的适用性区域将会变得明显。这个概要中的描述和特定例子只是为了示意的目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

在此描述的附图只是为了所选实施例的示意的目的而非全部可能的实施，并且不旨在限制本公开的范围。

图1为根据本公开的逆变器的示意结构的框图；

图2为逆变器的逆变单元的电路结构图；

图3为根据本公开实施例的带有缓冲电路的逆变器的电路结构图；

图4为图2所示的逆变器考虑寄生电感后的等效电路图；

图5a为图2所示的逆变器在第一模态的电流方向示意图；

图5b为图2所示的逆变器在第二模态的电流方向示意图；

图6为图3所示的逆变器考虑寄生电感后的等效电路图；

图7a为图3所示的逆变器在第一模态的电流方向示意图；

图7b为图3所示的逆变器在第二模态的电流方向示意图；

图7c为图3所示的逆变器在第三模态的电流方向示意图；

图7d为图3所示的逆变器在第四模态的电流方向示意图；

图8a为图2所示的逆变器的内管电压的波形图；

图8b为图3所示的逆变器的内管电压的波形图；以及

图9为根据本公开另一个实施例的带有缓冲电路的逆变器的电路结构图。

虽然本公开容易经受各种修改和替换形式，但是其特定实施例已作为例子在附图中示出，并且在此详细描述。然而应当理解的是，在此对特定实施例的描述并不打算将本公开限制到公开的具体形式，而是相反地，本公开目的是要覆盖落在本公开的精神和范围之内的所有修改、等效和替换。要注意的是，贯穿几个附图，相应的标号指示相应的部件。

具体实施方式

现在参考附图来更加充分地描述本公开的例子。以下描述实质上只是示例性的，而不旨在限制本公开、应用或用途。

如图1所示，根据本公开的一个具体实施例的逆变器100可以包括逆变单元110、第一缓冲单元120和第二缓冲单元130。逆变单元110用于对直流母线电压进行逆变。在此，逆变单元110可以包括按顺序串联连接在直流母线正电压端子Bus+和直流母线负电压端子Bus-之间的第一外管111、第一内管112、第二内管113和第二外管114。第一缓冲单元120可以连接在直流母线负电压端子Bus-和第一内管112之间，用于抑制第一内管112的电压应力。第二缓冲单元130可以连接在直流母线正电压端子Bus+和第二内管113之间，用于抑制第二内管113的电压应力。

在如图1所示的逆变器100中，第一缓冲单元120和第二缓冲单元130分别借助于直流母线负电压源和直流母线正电压源来抑制第一内管112和第二内管113的电压应力，而没有使用外接的与主电路电气隔离的电源。这样一来，可以减小逆变器100的体积和重量。另外，由于省去了对外接电源的额外控制，所以可以使得控制变得相对简单。

本教导适合于结合到许多不同类型的逆变器中。为了示例性的目的，下面以NPC(Neutral point clamped，中性点钳位)三电平逆变器为例进行描述。

在三电平逆变的拓扑结构中，具有一个中性点将电压钳位，该中性点电压为直流母线电压的一半。NPC三电平逆变器采用三电平技术，可以实现三电平电压输出，使之相应的电流更加近似于正弦波的效果，提升逆变器的效率。

如图2所示，NPC三电平逆变器中的逆变单元110中包括的第一内管112、第二内管113、第一外管111和第二外管114均可以采用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物-半导体-场效应晶体管)器件。本公开对此并没有特殊限制。例如，第一内管112、第二内管113、第一外管111和第二外管114也可以均采用IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)器件。

由图2可知，第一内管112、第二内管113、第一外管111和第二外管114可以均由MOSFET器件和二极管构成，所述二极管的阴极和阳极分别连接到MOSFET器件的源极和漏极。当采用IGBT器件时，MOSFET器件的栅极对应于IGBT器件的门极，MOSFET器件的源极对应于IGBT器件的集电极，并且MOSFET器件的漏极对应于IGBT器件的发射极。亦即，当采用IGBT器件时，二极管的阴极和阳极可以分别连接到IGBT器件的集电极和发射极。

一般而言，从市场上可得到的MOSFET器件或IGBT器件本身可能设置有如上所述的连接在源极和漏极或者集电极和发射极之间的二极管。在这种情况下，第一内管112、第二内管113、第一外管111和第二外管114可以只采用MOSFET器件或IGBT器件而不需要另外的二极管。另一方面，如果MOSFET器件或IGBT器件本身没有设置有如上所述的连接在源极和漏极或者集电极和发射极之间的二极管，则需要添加另外的二极管。

具体地如图2所示，第一外管111可以包括MOSFET器件Q1和二极管D1。第二外管114可以包括MOSFET器件Q4和二极管D4。第一内管112可以包括MOSFET器件Q2和二极管D2。第二内管113可以包括MOSFET器件Q3和二极管D3。

MOSFET器件Q1的源极可以连接到直流母线正电压端子Bus+，并且其漏极可以连接到MOSFET器件Q2的源极。MOSFET器件Q2的漏极可以连接到MOSFET器件Q3的源极。MOSFET器件Q3的漏极可以连接到MOSFET器件Q4的源极。MOSFET器件Q4的漏极可以连接到直流母线负电压端子Bus-。

位于第一内管112和第二内管113之间的节点可以经由电感器Lo和电容器Co连接到中线N。

两个二极管D5和D6可以在串联连接之后与第一内管112和第二内管113串联连接而形成的支路并联连接，并且位于两个二极管D5和D6之间的节点可以连接到中线N。

两个电容器C1和C2可以在串联连接之后与第一外管111、第一内管112、第二内管113和第二外管114串联连接而形成的支路并联连接，并且位于两个电容器C1和C2之间的节点可以连接到中线N。

具有如上所述结构的逆变单元110可以用于对直流母线正电压端子Bus+和直流母线负电压端子Bus-之间的直流母线电压进行逆变，并且通过电感器Lo和电容器Co进行输出以得到近似于正弦波的交变电流。

如图3所示，根据本公开的逆变器100可以进一步包括用于抑制第一内管112电压应力的第一缓冲单元120和用于抑制第二内管113电压应力的第二缓冲单元130。第一缓冲单元120和第二缓冲单元130构成了根据本公开的逆变器的缓冲电路。

第一缓冲单元120可以包括第一缓冲支路和第一放电单元。第一缓冲支路可以并联连接到第一内管112的两端，用于抑制第一内管112的电压应力。第一放电单元可以连接在第一缓冲支路和直流母线负电压端子Bus-之间，用于第一缓冲支路的放电。

第二缓冲单元130可以包括第二缓冲支路和第二放电单元。第二缓冲支路可以并联连接到第二内管113的两端，用于抑制第二内管11 3的电压应力。第二放电单元可以连接在第二缓冲支路和直流母线正电压端子Bus+之间，用于第二缓冲支路的放电。

稍后将会详细地描述第一缓冲单元120和第二缓冲单元130的工作原理。

具体地如图3所示，第一缓冲支路可以包括串联连接的作为第一缓冲电容器的电容器C3和作为第一缓冲二极管的二极管D7。第一放电单元可以包括作为第一放电二极管的二极管D9。二极管D9可以连接在位于电容器C3和二极管D7之间的节点和直流母线负电压端子Bus-之间。在此，电容器C3的一端可以与二极管D7的阳极相连接，并且直流母线负电压端子Bus-可以与二极管D9的阳极相连接。

根据本公开的实施例，采用低寄生电感的二极管D7作为缓冲二极管，并且采用电容器C3作为缓冲电容器。将二者串联后，并联连接在第一内管112的两端，用于抑制第一内管112的电压应力。二极管D9连接在二极管D7的阳极与直流母线负电压端子Bus-之间，以形成电容器C3的放电回路。

第二缓冲支路可以包括串联连接的作为第二缓冲电容器的电容器C4和作为第二缓冲二极管的二极管D8。第二放电单元可以包括作为第二放电二极管的二极管D10。二极管D10可以连接在位于电容器C4和二极管D8之间的节点和直流母线正电压端子Bus+之间。在此，电容器C4的一端可以与二极管D8的阴极相连接，并且直流母线正电压端子Bus+可以与二极管D10的阴极相连接。

根据本公开的实施例，同样可以采用低寄生电感的二极管D8作为缓冲二极管，并且采用电容器C4作为缓冲电容器。将二者串联后，并联连接在第二内管113的两端，用于抑制第二内管113的电压应力。二极管D10连接在二极管D8的阴极与直流母线正电压端子Bus+之间，以形成电容器C4的放电回路。

根据本公开实施例的缓冲电路包括了为各内管112和113分别设置的缓冲支路。当各内管112和113关断时，通过缓冲支路提供了一条低阻抗通路，从而降低了内管112和113的电压应力。

根据本公开的缓冲电路和具有该缓冲电路的逆变器能够有效地抑制逆变器中的内管的电压应力。由于根据本公开的缓冲电路和具有该缓冲电路的逆变器直接借助于直流母线正电压源和直流母线负电压源，而没有使用外接的与主电路电气隔离的电源，因此可以减小逆变器的体积和重量，并且使得控制变得相对简单。

以NPC三电平逆变器为例，下面参考附图来详细地描述根据本公开实施例的逆变器的工作原理。

考虑到寄生电感，图2所示的不带有缓冲电路的逆变器的实际电路如图4所示。

其中，与第一外管111串联连接的电感器L1表示第一外管111的寄生电感，与第一内管112串联连接的电感器L2表示第一内管112的寄生电感，与第二内管113串联连接的电感器L3表示第二内管113的寄生电感，并且与第二外管114串联连接的电感器L4表示第二外管114的寄生电感。另外，与二极管D5串联连接的电感器L5表示二极管D5的寄生电感，并且与二极管D6串联连接的电感器L6表示二极管D6的寄生电感。

图4所示的逆变器没有缓冲电路。对于该逆变器，其第一模态下的电流方向如图5a所示。电流将会依次流过中线N、二极管D5、电感器L5、电感器L2、MOSFET器件Q2、电感器Lo、电容器Co和中线N。当第一内管112的MOSFET器件Q2关断后，该逆变器进入第二模态。此时，由于电感器Lo的电流不能突变，其电流方向如图5b所示。电流将会依次流过中线N、电容器C2、二极管D4、电感器L4、二极管D3、电感器L3、电感器Lo、电容器Co和中线N。

由上述分析可知，当第一内管112的MOSFET器件Q2在开通状态和关断状态之间变化时，电流在两条支路之间换流。假设电流的变化率为di/dt，该变化率取决于MOSFET器件的关断速度。

从图4可以看出，电容器C1和电容器C2上的电压为：

V_Bus＝const    (1)

另外，由于寄生电感(电感器L2-L5)的作用，使得MOSFET器件Q2的电压为：

$V_{Q2}=V_{\mathrm{Bus}}+(L2+L3+L4+L5)\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

令： $L_a=\underset{i=2}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Li}$

由式(2)可知，La越大，MOSFET器件Q2的电压越大。

图6是图3所示的带有缓冲电路的逆变器100考虑寄生电感后的等效电路图。对于该逆变器100，其第一模态下的电流方向如图7a所示。电流将会依次流过中线N、二极管D5、电感器L5、电感器L2、MOSFET器件Q2、电感器Lo、电容器Co和中线N。当第一内管112的MOSFET器件Q2关断时，该逆变器100进入第二模态。此时，由于电感器Lo的电流不能突变，其电流方向如图7b所示。电流将会依次流过中线N、二极管D5、电感器L5、电容器C3、二极管D7、电感器Lo、电容器Co和中线N。此时，MOSFET器件Q2的电压为：

$V_{Q2}=V_{\mathrm{Bus}}+L2\×\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

令：Lb＝L2

由结合式(2)和式(3)可知，Lb 小于La。显然，增加缓冲电路后，MOSFET器件Q2的电压应力变小了。

当存在缓冲电路时，逆变器100在第二模态下，电容器C3不断充电，导致其电压大于母线电压V_Bus。此时，二极管D3和D4逐步开始换流。在开始时，换流的速度di/dt比较小，随后逐步增大，直到二极管D3和D4上的电流等于电感电流。在此期间，由于电容器C3的作用，MOSFET器件Q2的电压始终被钳位在一个较低的水平上，此时逆变器100处于第三模态。在第三模态下，电流方向如图7c所示。电流将会依次流过中线N、二极管D4、电感器L4、二极管D3、电感器L3、电感器Lo、电容器Co和中线N。

当下一次MOSFET器件Q2开通时，电流从二极管D3和D4换流到MOSFET器件Q2。此时，由于电容器C3的电压大于母线电压V_Bus，因此，通过二极管D9进行放电，直到电容器C3的电压等于母线电压V_Bus为止，此时逆变器100处于第四模态。在第四模态下，电流方向如图7d所示。电流将会依次流过中线N、二极管D5、电感器L5、电感器L2、MOSFET器件Q2、电感器Lo、电容器Co和中线N。同时，电容器C3通过二极管D9放电。

通过上述分析可知，在本公开的实施例中，为逆变器100的第一内管112设置第一缓冲单元120。当第一内管112关断时，通过第一缓冲单元120为电感器Lo上的电流提供一条低阻抗通路，从而降低第一内管112的电压应力。

上述分析仅以第一内管112为例进行说明。针对第二内管113的第二缓冲单元130的设置方式和工作原理与针对第一内管112的第一缓冲单元120相同。在第二内管112关断时，通过第二缓冲单元130为电感器Lo上的电流提供一条低阻抗通路，从而降低第二内管113的电压应力，在此不再赘述。

图8a和图8b分别为图2和图3所示的逆变器的内管电压的波形图。在图8a和图8b所示的坐标轴中，横坐标表示时间，并且纵坐标表示逆变器的内管电压值。通过实际测试可知，图2所示的不带有缓冲电路的逆变器的内管电压应力峰值最高可到652V(如图8a所示)，超出了一般常用的MOSFET器件的额定电压600V，导致MOSFET器件发生过压失效。对于图3所示带有缓冲电路的逆变器，MOSFET器件Q2和Q3上的电压应力峰值可以维持在440V左右(如图8b所示)。比较图8a和图8b可知，带有缓冲电路之后，逆变器的内管电压应力明显降低了，小于MOSFET器件的额定电压。因此，该逆变器能够正常工作。

图9是根据本公开另一个实施例的带有缓冲电路的逆变器200的结构图。如图9所示的逆变器200与如图3所示的逆变器100区别在于：第一放电单元进一步包括了作为第一电阻器的电阻器R1，并且第二放电单元进一步包括了作为第二电阻器的电阻器R2。

电阻器R1可以连接在二极管D9和直流母线负电压端子Bus-之间，并且电阻器R2可以连接在二极管D10和直流母线正电压端子Bus+之间。

在此，电容器C3的一端可以与二极管D7的阳极相连接，并且电阻器R1的一端可以与二极管D9的阳极相连接。进一步，电容器C4的一端可以与二极管D8的阴极相连接，并且电阻器R2的一端可以与二极管D10的阴极相连接。

通过为各放电单元中的二极管D9和D10分别串联一个电阻器，可以有效地减小二极管D9和D10上的电流应力。

上面公开的具体实施例仅是示意性的，因为本公开可以用不同但却等效的方式加以修改和实践，这些方式对于获得此处教导的益处的本领域技术人员而言是明显的。进而，除了在所附权利要求中描述的那些以外，并不打算限制在此示出的构造或设计的细节。因此，明显的是，可以改变或修改上面公开的具体实施例，而所有这样的变化都被认为是处在本公开的范围和精神之内。

Claims (15)

1.一种逆变器，包括：

逆变单元，用于对直流母线电压进行逆变，所述逆变单元包括按顺序串联连接在直流母线正电压端子和直流母线负电压端子之间的第一外管、第一内管、第二内管和第二外管；

第一缓冲单元，其连接在所述直流母线负电压端子和所述第一内管之间，用于抑制所述第一内管的电压应力；以及

第二缓冲单元，其连接在所述直流母线正电压端子和所述第二内管之间，用于抑制所述第二内管的电压应力。

2.根据权利要求1所述的逆变器，其中

所述第一缓冲单元包括并联连接到所述第一内管的两端的第一缓冲支路以及连接在所述第一缓冲支路和所述直流母线负电压端子之间的第一放电单元；以及

所述第二缓冲单元包括并联连接到所述第二内管的两端的第二缓冲支路以及连接在所述第二缓冲支路和所述直流母线正电压端子之间的第二放电单元。

3.根据权利要求2所述的逆变器，其中

所述第一缓冲支路包括串联连接的第一缓冲电容器和第一缓冲二极管；

所述第二缓冲支路包括串联连接的第二缓冲电容器和第二缓冲二极管；

所述第一放电单元包括第一放电二极管，其连接在位于所述第一缓冲电容器和所述第一缓冲二极管之间的节点和所述直流母线负电压端子之间；以及

所述第二放电单元包括第二放电二极管，其连接在位于所述第二缓冲电容器和所述第二缓冲二极管之间的节点和所述直流母线正电压端子之间。

4.根据权利要求3所述的逆变器，其中

所述第一缓冲电容器的一端与所述第一缓冲二极管的阳极相连接；

所述直流母线负电压端子与所述第一放电二极管的阳极相连接；

所述第二缓冲电容器的一端与所述第二缓冲二极管的阴极相连接；以及

所述直流母线正电压端子与所述第二放电二极管的阴极相连接。

5.根据权利要求3所述的逆变器，其中

所述第一放电单元进一步包括第一电阻器，其连接在所述第一放电二极管和所述直流母线负电压端子之间；以及

所述第二放电单元进一步包括第二电阻器，其连接在所述第二放电二极管和所述直流母线正电压端子之间。

6.根据权利要求5所述的逆变器，其中

所述第一缓冲电容器的一端与所述第一缓冲二极管的阳极相连接；

所述第一电阻器的一端与所述第一放电二极管的阳极相连接；

所述第二缓冲电容器的一端与所述第二缓冲二极管的阴极相连接；以及

所述第二电阻器的一端与所述第二放电二极管的阴极相连接。

7.根据权利要求1至6任一所述的逆变器，其中

位于所述第一内管和所述第二内管之间的节点经由电感器和电容器连接到中线；

两个二极管在串联连接之后与所述第一内管和所述第二内管串联连接而形成的支路并联连接，并且位于所述两个二极管之间的节点连接到所述中线；以及

两个电容器在串联连接之后与所述第一外管、所述第一内管、所述第二内管和所述第二外管串联连接而形成的支路并联连接，并且位于所述两个电容器之间的节点连接到所述中线。

8.根据权利要求7所述的逆变器，其中，所述第一内管、第二内管、第一外管和第二外管均采用MOSFET器件或IGBT器件。

9.根据权利要求7所述的逆变器，其中

所述第一内管、第二内管、第一外管和第二外管均由MOSFET器件或IGBT器件和二极管构成；以及

所述二极管的阴极和阳极分别连接到所述MOSFET器件的源极和漏极或者所述IGBT器件的集电极和发射极。

10.一种逆变器的缓冲电路，包括：

第一缓冲单元，其连接在直流母线负电压端子和所述逆变器的第一内管之间，用于抑制所述第一内管的电压应力；以及

第二缓冲单元，其连接在直流母线正电压端子和所述逆变器的第二内管之间，用于抑制所述第二内管的电压应力。

11.根据权利要求10所述的缓冲电路，其中

所述第一缓冲单元包括并联连接到所述第一内管的两端的第一缓冲支路以及连接在所述第一缓冲支路和所述直流母线负电压端子之间的第一放电单元；以及

所述第二缓冲单元包括并联连接到所述第二内管的两端的第二缓冲支路以及连接在所述第二缓冲支路和所述直流母线正电压端子之间的第二放电单元。

12.根据权利要求11所述的缓冲电路，其中

所述第一缓冲支路包括串联连接的第一缓冲电容器和第一缓冲二极管；

所述第二缓冲支路包括串联连接的第二缓冲电容器和第二缓冲二极管；

所述第一放电单元包括第一放电二极管，其连接在位于所述第一缓冲电容器和所述第一缓冲二极管之间的节点和所述直流母线负电压端子之间；以及

所述第二放电单元包括第二放电二极管，其连接在位于所述第二缓冲电容器和所述第二缓冲二极管之间的节点和所述直流母线正电压端子之间。

13.根据权利要求12所述的缓冲电路，其中

所述第一缓冲电容器的一端与所述第一缓冲二极管的阳极相连接；

所述直流母线负电压端子与所述第一放电二极管的阳极相连接；

所述第二缓冲电容器的一端与所述第二缓冲二极管的阴极相连接；以及

所述直流母线正电压端子与所述第二放电二极管的阴极相连接。

14.根据权利要求12所述的缓冲电路，其中

所述第一放电单元进一步包括第一电阻器，其连接在所述第一放电二极管和所述直流母线负电压端子之间；以及

所述第二放电单元进一步包括第二电阻器，其连接在所述第二放电二极管和所述直流母线正电压端子之间。

15.根据权利要求14所述的缓冲电路，其中

所述第一缓冲电容器的一端与所述第一缓冲二极管的阳极相连接；

所述第一电阻器的一端与所述第一放电二极管的阳极相连接；

所述第二缓冲电容器的一端与所述第二缓冲二极管的阴极相连接；以及

所述第二电阻器的一端与所述第二放电二极管的阴极相连接。

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