CN102969881A - 一种均压保护电路和二极管箝位多电平拓扑装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均压保护电路，应用于二极管箝位多电平拓扑中，其包括滤波电路、第一箝位电路和第一逆变电路，其中，第一箝位电路的两端连接一个均压模块，从而当第一逆变电路中一组内、外功率开关器件开通，另一组内、外功率开关器件断开时，使得关断的内、外功率开关器件之间的连接点被有效箝位到母线中点电压，从而关断的功率开关器件能有效均分母线电压，解决了功率开关器件过压或电压不平衡的问题，并且本发明所提供的均压保护电路结构简单，具有良好的均压效果，使包含该均压保护电路的系统工作更加可靠更加稳定。

Description

一种均压保护电路和二极管箝位多电平拓扑装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种均压保护电路和二极管箝位多电平拓扑装置。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）作为主要的功率开关器件，应用于采用二极管箝位三电平拓扑的电力电子装置中，如中高压变频器、风电、光伏逆变器、SVG、UPS等。二极管箝位的三电平拓扑电路如图1所示，T1，T2，T3，T4是IGBT，T1和T4简称为外管，T2和T3简称为内管，D1、D2、D3、D4是和IGBT并联的续流二极管，D5、D6是箝位二极管。此极管箝位的三电平拓扑电路有三种开关模式：T1和T2开通，T3和T4关断，输出电压Uout为正母线电压P，此时T3和T4一起承担母线电压；T2和T3开通，T1和T4关断，输出电压Uout为中点电压O；T3和T4开通，T1和T2关断，输出电压Uout为负母线电压N，此时T1和T2一起承担母线电压。参见表1所示。
表1二极管箝位式三电平电路中功率开关的状态表
Figure BDA00002502008900011
在对此二极管箝位三电平拓扑电路的研究和实践过程中，本发明的发明人发现，在T1和T2开通,T3和T4关断或者T3和T4开通，T1和T2关断时，关断的两个IGBT在关断的开始都为半母线电压，但随后内管（T2或者T3）的电压会逐渐升高，外管（T1或者T4）的电压会逐渐降低，关断的两个IGBT不能均分整个母线电压。尤其是整流侧的IGBT，因电流走续流二极管，不均压的现象更明显，电子器件容易因为过电压而损坏。
发明内容
本发明实施例提供一种均压保护电路和二极管箝位多电平拓扑装置，该均压保护电路应用于二极管箝位多电平拓扑中，以期解决二极管箝位多电平拓扑不均压的问题，提高多电平电路中电子器件的使用寿命。
本发明实施例提供了一种均压保护电路，所述均压保护电路包括：
滤波电路、第一箝位电路和第一逆变电路；
所述滤波电路连接于电源两端；所述第一箝位电路的两端连接在第一逆变电路的箝位点上；所述第一逆变电路的两端分别与电源的正负极连接；
所述滤波电路中包括两个串联的电容，所述第一箝位电路中包括两个串联的二极管，所述第一逆变电路中包括四个串联的功率开关器件，其中，滤波电路中两个电容的串联接点与第一箝位电路中两个二极管的串联接点连接；
所述第一箝位电路的两端连接第一均压模块，所述第一均压模块中至少包括一个电阻。
在第一种可能的实施方式中，所述均压保护电路还包括第二箝位电路、第三箝位电路、第二逆变电路和第三逆变电路；
所述第二箝位电路的两端连接在所述第二逆变电路的箝位点上，所述第三箝位电路的两端连接在所述第三逆变电路的箝位点上；所述第二逆变电路和第三逆变电路的两端分别与所述电源的正负极连接；
所述第二箝位电路和第三箝位电路中分别包括两个串联的二极管，并且所述第一箝位电路中两个二极管的串联接点、所述第二箝位电路中两个二极管的串联接点和所述第三箝位电路中两个二极管的串联接点依次连接；所述第二逆变电路和第三逆变电路中分别包括四个串联的功率开关器件；
所述第二箝位电路的两端和所述第三箝位电路的两端分别并联第二均压模块和第三均压模块，所述第二均压模块和所述第三均压模块中分别至少包括一个电阻。
在第二种可能的实施方式中，结合第一种可能的实施方式，所述第一均压模块中的电阻、第二均压模块中的电阻和第三均压模块中的电阻的阻值为60千欧姆至100千欧姆。
进一步的，所述第一逆变电路、第二逆变电路和第三逆变电路中的功率开关器件为绝缘栅双极型晶体管、金属半场效晶体管和电力场效应管中的一种。
本发明实施例还提供一种二极管箝位多电平拓扑装置，其包括上述任一项所述的均压保护电路。
本发明实施例所提供的均压保护电路，应用于二极管箝位多电平拓扑中，所述均压保护电路包括滤波电路、第一箝位电路和第一逆变电路，其中，第一箝位电路的两端连接一个均压模块，从而当第一逆变电路中一组内、外功率开关器件开通，另一组内、外功率开关器件断开时，均压模块将关断的内、外功率器件之间的连接点被有效箝位到母线中点电压，从而关断的内、外功率开关器件能有效均分母线电压，解决了功率开关器件过压或电压不平衡的问题，并且本发明所提供的均压保护电路结构简单，具有良好的均压效果，使包含该均压保护电路的系统工作更加可靠更加稳定。
附图说明
图1是现有技术中二极管箝位三电平电路的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的均压保护电路的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的均压保护电路中母线电流的流向示意图；
图4是本发明实施例提供的均压保护电路的母线电路的另一种流向示意图图；
图5是现有技术中二极管箝位三电平电路中电压的检测结果图；
图6是本发明实施例提供的均压保护电路中电压的检测结果图；
图7是本发明实施例提供的另一种均压保护电路的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种均压保护电路的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种均压保护电路和二极管箝位多电平拓扑装置，该均压保护电路应用于二极管箝位多电平拓扑中，以期解决二极管箝位多电平电路中功率开关器件不均压的问题，提高多电平电路中电子器件的使用寿命。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种均压保护电路，应用于二极管箝位多电平拓扑中，该均压保护电路包括：
滤波电路、第一箝位电路和第一逆变电路；
所述滤波电路连接于电源两端；所述第一箝位电路的两端连接在第一逆变电路的箝位点上；所述第一逆变电路的两端分别与电源的正负极连接；
所述滤波电路中包括两个串联的电容，所述第一箝位电路中包括两个串联的二极管，所述第一逆变电路中包括四个串联的功率开关器件，其中，滤波电路中两个电容的串联接点与第一箝位电路中两个二极管的串联接点连接；
所述第一箝位电路的两端连接第一均压模块，所述第一均压模块中至少包括一个电阻。
其中，所述第一逆变电路中的功率开关器件可以为绝缘栅双极型晶体管、金属半场效晶体管和电力场效应管中的任意一种；
所述第一均压模块中的电阻阻值范围可以为60千欧姆至100千欧姆。
由上可见，本发明实施例所提供的均压保护电路，应用于二极管箝位多电平拓扑中，其包括滤波电路、第一箝位电路和第一逆变电路，其中，第一箝位电路的两端连接第一均压模块，从而当第一逆变电路中一组内、外功率开关器件开通，另一组内、外功率开关器件断开时，第一均压模块将关断的内、外功率开关器件之间的连接点被有效箝位到母线中点电压，从而关断的功率开关器件能有效均分母线电压，解决了功率开关器件过压或电压不平衡的问题，并且本发明所提供的均压保护电路结构简单，具有良好的均压效果，使包含该均压保护电路的系统工作更加可靠更加稳定。
本发明实施例还提供一种均压保护电路，该均压保护电路应用于二极管箝位三电平拓扑中，参见图2所示，该均压保护电路包括：
滤波电路101、第一箝位电路102和第一逆变电路103；
滤波电路101中包括串联的电容C1和电容C2，第一箝位电路102中包括串联的二极管D5和D6，第一逆变电路103中包括串联的IGBT功率器件T1、T2、T3和T4，IGBT功率器件T1、T2、T3和T4分别并联续流二极管D1、D2、D3和D4，二极管D5和D6的串联接点L与电容C1和C2的串联接点O连接；
滤波电路101中的电容C1的另一端和电容C2的另一端分别连接电源的正极P和负极N；第一箝位电路102中二极管D5的正极与二极管D6的负极相连，二极管D5的负极连接在第一逆变电路的箝位点Q上，二极管D6的正极连接在第一逆变电路的箝位点R上；第一逆变电路103中T1的集电极连接电源正极P，T1的发射极与T2的集电极连接，T2的发射极与T3的集电极连接，T3的发射极与T4的集电极连接，T4的发射极连接于电源负极N；
第一箝位电路102中的二极管D5的负极和二极管D6的正极之间连接一个均压模块104，均压模块104中包括电阻R1。
当IGBT功率器件T1和T2开通，T3和T4关断时，母线电流流向如图3中箭头所指，母线电流从电源正极P通过T1、R1、D6到达串联接点O，T3和T4的串联接点R通过二极管D6被箝位到串联接点O，因此串联接点R处的电压与串联接点O处的电压值约相等。而串联接点O处的电压为母线电压的一半，因此串联接点R处的电压值约为母线电压的一半，这样，IGBT功率器件T3和T4各承担一半母线电压，实现了母线电压的均压。
当IGBT功率器件T3和T4开通，T1和T2关断时，母线电流流向如图4中箭头所指，母线电流从串联接点O通过D5、R1、T4流到电源负极N，T1和T2的串联接点Q通过二极管D5被箝位到串联接点O，因此串联接点Q处的电压与串联接点O处的电压值约相等。而串联接点O处的电压为母线电压的一半，因此串联接点Q处的电压值约为母线电压的一半，这样，IGBT功率器件T1和T2各承担一半母线电压，实现了母线电压的均压。
其中，电阻R1的阻值可以为60千欧姆至100千欧姆。
本发明的发明人对图1所示的现有二极管箝位电路三电平电路进行电压测试，当T1和T2关断，T3和T4开通时，检测到T1和T2的电压波形如图5所示。当输入电压是380VAC时，母线电压是620V，半母线电压是310V，但测试到T2的电压最大值是440V，动态不均压是130V；
对图2所示的本发明实施例提供的均压保护电路进行电压测试，当T1和T2关断，T3和T4开通时，检测到T1和T2的电压波形如图6所示。当输入电压是380VAC，母线电压是620V，均压电路的电阻值为75千欧姆时，测试到T2的电压值是310V。由上可见，本发明实施例所提供的均压保护电路，应用于二极管箝位多电平拓扑中，其包括滤波电路101、第一箝位电路102和第一逆变电路103，其中，第一箝位电路102的两端连接均压模块104，从而当第一逆变电路103中一组内外IGBT功率器件开通，另一组内外IGBT功率器件断开时，均压模块104中的电阻R1将关断的内外IGBT功率器件之间的连接点被有效箝位到母线中点电压处，从而关断的IGBT功率器件能有效均分母线电压，解决了IGBT功率器件过压或电压不平衡的问题，并且本发明所提供的均压保护电路结构简单，具有良好的均压效果，使包含该均压保护电路的系统工作更加可靠更加稳定。
本发明实施例还提供一种均压保护电路，该均压保护电路应用于二极管箝位三电平拓扑中，参见图7所示，该均压保护电路包括：
滤波电路101、第一箝位电路102和第一逆变电路103；
滤波电路101中包括串联的电容C1和电容C2，第一箝位电路102中包括串联的二极管D5和D6，第一逆变电路103中包括串联的IGBT功率器件T1、T2、T3和T4，IGBT功率器件T1、T2、T3和T4分别并联续流二极管D1、D2、D3和D4，二极管D5和D6的串联接点L与电容C1和C2的串联接点O连接；
滤波电路101中的电容C1的另一端和电容C2的另一端分别连接电源的正极P和负极N；第一箝位电路102中二极管D5的正极与二极管D5的负极相连，二极管D5的负极连接在第一逆变电路的箝位点Q上，二极管D6的正极连接在第一逆变电路的箝位点R上；第一逆变电路103中T1的集电极连接电源正极P，T1的发射极与T2的集电极连接，T2的发射极与T3的集电极连接，T3的发射极与T4的集电极连接，T4的发射极连接于电源负极N；
第一箝位电路102中的二极管D5的负极和二极管D6的正极之间连接一个均压模块105，均压模块105中包括串联的电阻R2和R3。
其中，电阻R2和R3的阻值之和可以为60千欧姆至100千欧姆。
需要说明的是，本发明实施例中均压模块所包含的电阻个数可以根据需要进行选择，可以是一个、两个或者更多个，电阻之间的连接方式也可以根据需要进行安排，如依次串联，或者互相并联，或者若干后串联后再与另一个并联，或者若干个互相并联后再与另一个串联。当然，均压模块中除了包含电阻外，还可以包括其他能保持恒定电流的电器。
由上可见，本发明实施例所提供的均压保护电路，应用于二极管箝位多电平拓扑中，其包括滤波电路101、第一箝位电路102和第一逆变电路103，其中，第一箝位电路102的两端连接均压模块105，从而当第一逆变电路102中一组内外IGBT功率器件开通，另一组内外IGBT功率器件断开时，均压模块105中的电阻R2和R3使得关断的内外IGBT功率器件之间的连接点被有效箝位到母线中点电压处，从而关断的IGBT功率器件能有效均分母线电压，解决了IGBT功率器件过压或电压不平衡的问题，并且本发明所提供的均压保护电路结构简单，具有良好的均压效果，使包含该均压保护电路的系统工作更加可靠更加稳定。
本发明实施例还提供一种均压保护电路，应用于二极管箝位多电平拓扑中，该均压保护电路保护：
滤波电路、第一箝位电路、第二箝位电路、第三箝位电路、第一逆变电路、第二逆变电路和第三逆变电路；
所述滤波电路连接于电源两端；所述第一箝位电路的两端连接在第一逆变电路的箝位点上，所述第二箝位电路的两端连接在所述第二逆变电路的箝位点上，所述第三箝位电路的两端连接在所述第三逆变电路的箝位点上；所述第一逆变电路、第二逆变电路和第三逆变电路的两端分别与电源的正负极连接；
所述滤波电路中包括两个串联的电容，所述第一箝位电路、第二箝位电路和第三箝位电路中分别包括两个串联的二极管，并且所述所述滤波电路中两个电容的串联接点、所述第一箝位电路中两个二极管的串联接点、所述第二箝位电路中两个二极管的串联接点和所述第三箝位电路中两个二极管的串联接点依次连接；所述第一逆变电路、第二逆变电路和第三逆变电路中分别包括四个串联的功率开关器件；
所述第一箝位电路的两端、第二箝位电路的两端和所述第三箝位电路的两端分别并联第一均压模块、第二均压模块和第三均压模块，所述第一均压模块、第二均压模块和所述第三均压模块中分别至少包括一个电阻。
其中，所述第一均压模块中的电阻、第二均压模块中的电阻和第三均压模块中的电阻的阻值可以为60千欧姆至100千欧姆；
所述第一逆变电路、第二逆变电路和第三逆变电路中的功率开关器件可以为绝缘栅双极型晶体管、金属半场效晶体管和电力场效应管中的一种。
由上可见，本发明实施例提供的均压保护电路中的第一箝位电路、第二箝位电路和第三箝位电路中分别包括一个均压模块，并且第一箝位电路、第二箝位电路、第三箝位电路中的二极管的串联接点和滤波电路中电容的串联接点依次连接，因此当任意一逆变电路中一组内、外功率开关器件开通，另一组内、外功率开关器件断开时，被关断的内、外功率开关器件会被有效箝位到母线的中点电压，从而关断的内、外功率开关器件能有效均分母线电压，解决了功率开关器件过压或电压不平衡的问题，并且本发明所提供的均压保护电路结构简单，具有良好的均压效果，使包含该均压保护电路的系统工作更加可靠更加稳定。
本发明实施例还提供一种均压保护电路，参见图8所示，包括：滤波电路、第一箝位电路、第二箝位电路、第三箝位电路、第一逆变电路、第二逆变电路和第三逆变电路；
滤波电路包括两个串联的电容C1和C2；
第一箝位电路包括串联的二极管d1和d2，第二箝位电路包括串联的二极管d3和d4，第三箝位电路包括串联的二极管d5和d6；
第一逆变电路包括串联的IGBT功率器件Sa1、Sa2、Sa3和Sa4，第二逆变电路包括串联的IGBT功率器件Sb1、Sb2、Sb3和Sb4，第三逆变电路包括串联的IBGT功率器件Sc1、Sc2、Sc3和Sc4；
滤波电路的两端连接于电源的正极P和负极N；第一箝位电路的两端、第二箝位电路的两端和第三箝位电路的两端分别连接在第一逆变电路、第二逆变电路和第三逆变电路的箝位点上；第一逆变电路、第二逆变电路和第三逆变电路的两端分别与电源的正负极连接；
滤波电路中两个电容的串联接点、第一箝位电路中两个二极管的串联接点、第二箝位电路中两个二极管的串联接点和第三箝位电路中两个二极管的串联接点依次连接；
第一箝位电路、第二箝位电路和第三箝位电路的两端分别并联第一均压模块、第二均压模块和第三均压模块，并且第一均压模块中至少包括电阻r1、第二均压模块中至少包括电阻r2和第三均压模块中至少包括电阻r3。
由上可见，本发明实施例提供的均压保护电路中的第一箝位电路、第二箝位电路和第三箝位电路中分别包括一个均压模块，并且第一箝位电路、第二箝位电路、第三箝位电路中的二极管的串联接点和滤波电路中电容的串联接点依次连接，因此当任意一逆变电路中一组内外IGBT功率器件开通，另一组内外IGBT功率器件断开时，被关断的内外IGBT功率器件会被有效箝位到母线的中点电压，从而关断的内外IGBT功率器件能有效均分母线电压，解决了IGBT功率器件过压或电压不平衡的问题，并且本发明所提供的均压保护电路结构简单，具有良好的均压效果，使包含该均压保护电路的系统工作更加可靠更加稳定。
本发明实施例还提供一种二极管箝位多电平拓扑装置，其包括上述任一实施例提供的均压保护电路。
因此，该二极管箝位多电平拓扑装置中任意一逆变电路中一组内、外功率开关器件开通，另一组内、外功率开关器件断开时，被关断的内、外功率开关器件会被有效箝位到母线的中点电压，从而关断的内、外功率开关器件能有效均分母线电压，解决了功率开关器件过压或电压不平衡的问题，并且本发明所提供的二极管箝位多电平拓扑装置结构简单，具有良好的均压效果，工作更加可靠更加稳定。
需要说明的是，本发明实施例中功率开关器件的通断可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器、磁盘或光盘等。
同时，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上对本发明实施例所提供的一种均压保护电路进行了详细介绍，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 (5)

1.一种均压保护电路，应用于二极管箝位多电平拓扑中，其特征在于，所述均压保护电路包括：
滤波电路、第一箝位电路和第一逆变电路；
所述滤波电路连接于电源两端；所述第一箝位电路的两端连接在第一逆变电路的箝位点上；所述第一逆变电路的两端分别与电源的正负极连接；
所述滤波电路中包括两个串联的电容，所述第一箝位电路中包括两个串联的二极管，所述第一逆变电路中包括四个串联的功率开关器件，其中，滤波电路中两个电容的串联接点与第一箝位电路中两个二极管的串联接点连接；
所述第一箝位电路的两端连接第一均压模块，所述第一均压模块中至少包括一个电阻。
2.根据权利要求1所述的均压保护电路，其特征在于，所述均压保护电路还包括第二箝位电路、第三箝位电路、第二逆变电路和第三逆变电路；
所述第二箝位电路的两端连接在所述第二逆变电路的箝位点上，所述第三箝位电路的两端连接在所述第三逆变电路的箝位点上；所述第二逆变电路和第三逆变电路的两端分别与所述电源的正负极连接；
所述第二箝位电路和第三箝位电路中分别包括两个串联的二极管，并且所述第一箝位电路中两个二极管的串联接点、所述第二箝位电路中两个二极管的串联接点和所述第三箝位电路中两个二极管的串联接点依次连接；所述第二逆变电路和第三逆变电路中分别包括四个串联的功率开关器件；
所述第二箝位电路的两端和所述第三箝位电路的两端分别并联第二均压模块和第三均压模块，所述第二均压模块和所述第三均压模块中分别至少包括一个电阻。
3.根据权利要求2所述的均压保护电路，其特征在于，所述第一均压模块中的电阻、第二均压模块中的电阻和第三均压模块中的电阻的阻值为60千欧姆至100千欧姆。
4.根据权利要求2所述的均压保护电路，其特征在于，所述第一逆变电路、第二逆变电路和第三逆变电路中的功率开关器件为绝缘栅双极型晶体管、金属半场效晶体管和电力场效应管中的一种。
5.一种二极管箝位多电平拓扑装置，其特征在于，包括权利要求1至4任一项所述的均压保护电路。
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