CN103647469A - 一种三电平逆变器开关电源的供电及保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平逆变器开关电源的供电及保护电路，其结构包括电阻均压单元、储能电容能量泄放单元、输入电压钳位单元。本发明所述的开关电源应用于三电平逆变器，所述电阻分压单元使三电平逆变器在正常工作时直流侧两个储能电容电压相等，电容能量泄放单元在电网掉电时把逆变器直流侧储能电容上的能量快速释放，电压钳位单元使开关电源在逆变器主系统上电时采用电网交流电供电，在逆变器正常工作时采用逆变器直流侧储能电容上的直流电进行供电。本发明的输入电压仅为三电平逆变器直流侧电压的1/2，在逆变器主系统突然掉电后，开关电源仍能工作一段时间，保证了掉电后保护动作依然能可靠执行，提高了逆变器主系统的安全性。

Description

一种三电平逆变器开关电源的供电及保护电路

技术领域

本发明专利属于三电平逆变领域，特别涉及一种三电平逆变器开关电源的供电及保护电路。

背景技术

能源是人类生存和发展的物质基础，在社会发展中起到关键性的作用，然而，随着社会经济的发展，一方面人们对能源的需求与日俱增，另一方面人们遭遇到了由能源短缺问题和能源消耗导致的环境污染问题引起的巨大挑战，新能源发电技术成为国内外寻求解决能源问题的研究热点。新能源发电技术正得到广泛的推广与应用。目前，大多数新能源发电均通过逆变形式并入电网。针对于大功率逆变系统，由于三电平逆变器具有耐压要求低，输出电压谐波小的特点，已经成为热门的研究对象。

通常用于三电平逆变器的开关电源有以下三种形式：

第一种就是与常用开关电源相同，开关电源用电是电网的交流电经过变压、整流后，接到开关电源输入端，因此开关电源的电压是相对稳定的，然而这种情况下，当电网及逆变器直流侧突然掉电，开关电源停止工作时，此时三电平逆变器可能还在工作，由于开关电源停止工作，可能系统保护程序还来不及运行，逆变器状态处于一种未知状态，给整个逆变器系统的安全带来威胁。

第二种就是三电平逆变器直流侧的电压直接接到开关电源的输入端，不再经过整流环节。但是由于这种情况下逆变器直流侧电压在系统刚开始工作时电压比较低，而逆变器正常工作时直流侧的电压比较高。因此逆变器的开关电源的输入端电压是不稳定的，这就要求三电平逆变器辅助电源系统的工作电压范围更宽。但是在实际的应用中，开关电源很难做到满足这么宽的输入电压要求，无法时刻满足系统功率需求，致使开关电源不能正常启动，或虽开关电源能启动，但达不到需要的宽输入电压范围，而且直流侧的高电压也给开关管的选择带来了困难。

第三种就是三电平逆变器直流侧电压的一个分压电容的两端直接接到开关电源的输入端，此种方案同样不再经过整流环节，在逆变器刚开始启动时同样受到开关电源输入电压不够高的问题。虽然和第二种方式相比较，正常工作时电压为仅其一半。但是，由于这种开关电源仅在一个直流侧分压电容上取电，在逆变器工作时，另一个分压电容上的电压会比较大。此时有可能会出现逆变器直流侧分压电容分压不均，造成逆变后的电能质量较低，甚至无法满足并网要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种三电平逆变器开关电源的供电和保护电路，该开关电源适用于三电平逆变器，该开关电源能够使三电平逆变器在正常工作时直流侧两个储能电容均压，电网掉电时把逆变器直流侧储能电容上的能量快速释放，开关电源在逆变器直流侧电压不高时采用电网交流电开启，在逆变器正常工作时采用逆变器直流侧储能电容上的直流电进行供电，最大输入电压仅为三电平逆变器直流侧电压的1/2，在逆变器主系统突然掉电后，开关电源仍能工作一段时间，保证了掉电后保护动作依然能可靠执行，提高了逆变器主系统的安全性。

为了实现上述目的，本发明采用的优化方案是：

一种三电平逆变器开关电源的供电及保护电路，该开关电源适用于三电平逆变器，供电及保护电路包括四个输入端、电阻均压单元、输入电压钳位单元、储能电容能量泄放单元；

四个输入端包括输入端DC+、输入端N、输入端DC-、输入端VAC；输入端DC+连接在三电平逆变器直侧流的正极，输入端N接在三电平直流侧两个串联储能电容形成的中心点，同时连接交流电网的地线，输入端DC-接在三电平直流侧的负极，输入端VAC接在交流电网的相线；

电阻均压单元包括电阻R4、电阻R9；电阻R4、R9均为1M/1W的碳膜电阻，电阻R4的第一端与所述输入端DC+相连接，电阻R4的第二端与电阻R9的第一端相连接，电阻R9的第二端和输入端DC-相连接；

电阻均压单元利用两个型号相同的电阻串联均压，每个电阻上分得的电压为逆变器直流侧电压的一半，由于在正常工作室，两个电阻等效于并接在两个储能电容的两端，使得三电平逆变器在正常工作时直流侧上两个串联的储能电容电压相等；

储能电容能量泄放单元包括电阻R1、R2、R3、PNP型MOSFET管VL4、电阻R5、电容C8、15V的稳压管D2；电阻R1、R2、R3均为22K/2W的碳膜电阻，电阻R1的第一端接所述输入端DC+，电阻R1的第二端接电阻R2的第一端，电阻R2的第二端接电阻R3的第一端，电阻R3的第二端接MOSFET管VL4的漏极，MOSFET管VL4的漏极接在输入端N，电阻R5的第一端和电容C8的第一端及15V稳压管D2的负极及MOSFET管VL4的栅极与电阻R4的第二端相连接，电阻R5的第二端和电容C8的第二端及15V稳压管D2的正极和输入端N相连接，电阻R5的阻值为100K欧，电容C8为100pF的陶瓷电容；

储能电容能量泄放单元在三电平逆变器正常工作的时候不工作，在三电平逆变器直流侧及电网突然掉电时，由于开关电源仍然在工作，此时，开关电源的工作保证了掉电后保护动作依然能可靠执行，提高了逆变器主系统的安全性；由于开关电源的工作消耗储能电容下电容的能量，使得储能电容下电容电压降低，致使上下两个储能电容上的电压不相等，由于电阻分压单元及电压钳位单元的作用，输入端N端的电压为0，而分压电阻中点的电位不为零，当分压电阻中点电位和输入端N之间的电压大于15V时，稳压管D2被击穿，从而把MOSFET管VL4的栅-源极电压钳制在15V，使得MOSFET管VL4导通，为三电平逆变器直流侧的储能电容C1的能量提供泄放通路，使其在电阻R1、R2、R3上消耗能量，从而使储能电容能量释放，R5、C6构成栅极滤波电路，R5同时也是栅极电容的泄放电阻，起到保护MOSFET管VL4的作用；

输入电压钳位单元包括熔断器F1、熔断器F2、共模扼流圈L4、滤波电感L5、滤波电感L7、压敏电阻MOV1、整流二极管D7、整流二极管D9;压敏电阻MOV1的第一端和共模扼流圈L4的第一端相连接，压敏电阻的第二端和共模扼流圈L4的第二端相连接，熔断器F1的第一端和输入端DC-相连接，熔断器F1的第二端和整流二极管D7的负极相连接，整流二极管D7的正极和共模扼流圈L4的第二端相连接，共模扼流圈L4和输入端N相连接，滤波电感L5第一端和输入端N相连接，滤波电感L5的第二端接地，熔断器F2的第一端接输入端VAC，熔断器F2的第二端接接滤波电感L7的第一端，滤波电感的第二端接整流二极管D9的负极，整流二极管的正极接共模扼流圈的第二端，整流二极管D7和D9型号为1N4007，熔断器F1、F2型号为1A/400V，压敏电阻MOV1的型号为20D751K；

开关电源同时输入交流电和直流电，根据整流二极管D9和D7的开通状态，决定开关电源采用直流电供电，还是交流电供电，开关电源主电路008采用负电压供电；当逆变器系统上电时，二极管D7负极的电位大于正极的电位从而关断，二极管D9开通，开关电源采用交流电网上的电压供电，电流从N端输入到开关电源主电路后经过整流二极管D9和滤波电感L7和保险丝F2流回电网；F1、F2为保险丝，防止开关电源的电流过大造成安全威胁，提供严重故障保护；当逆变器稳定工作后，逆变器储能电容C1和C2充电至高压状态，二极管D7负极的电位小于正极的电位从而导通，二极管D9关断，开关电源采用储能电容C2上的直流电供电，电流从N端输入到开关电源后经过一个整流二极管D7再经过保险丝F1流回DC-；MOV1为型号为20D751K的压敏电阻，防止C2上的电压过大，可以在不同输入电压瞬态期间进行电压钳位，以便为输入元件提供保护并使开关管的峰值漏极电压维持在750V额定值以下，滤波电感L5单点接地，用于电源滤波。

本发明的优点是：1)该供电及保护电路具有电压钳位功能，开关电源在逆变器直流侧电压不高时采用电网交流电开启，并采用交流电供电，在逆变器正常工作时采用逆变器直流侧储能电容上的直流电进行供电，从而解决了直流侧电压过小时开关电源不能启动的问题。2)该供电及保护电路的电容能量泄放单元能使逆变器在突然掉电的情况下把逆变器直流侧储能电容上的能量迅速释放，适合三电平逆变并网系统。3)该供电及保护电路的电阻分压电路在开关电源在正常工作时，使逆变器直流母线上的分压电容实现均压4)该供电及保护电路还可以在电网掉电后持续工作一段时间，保证了掉电后保护动作依然能可靠执行，提高了逆变器主系统的安全性。

附图说明

图1一种三电平逆变器开关电源的供电及保护电路结构示意图

图2四个输入端子、电阻均压单元、输入电压钳位单元、储能电容能量泄放单元原理图

图3本发明具体实施例开关电源的原理图

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是一种三电平逆变器开关电源的供电及保护电路结构示意图，直流电Ud输入到三电平逆变器直流侧的储能电容001，C1为储能电容的上电容，C2为储能电容的下电容，再经过三电平逆变器002,后给负载004供电，开关电源003的输入端DC+连接在三电平逆变器直侧流的正极，输入端N接在三电平直流侧两个串联储能电容形成的中心点，输入端DC-接在三电平直流侧的负极，输入端VAC接在交流电网的一侧，交流电网的另一侧接输入端N，开关电源同时输入直流电和交流电；

图2为四个输入端、电阻均压单元、输入电压钳位单元、储能电容能量泄放单元原理图。四个输入端009包括输入端DC+、输入端N、输入端DC-、输入端VAC；输入端DC+连接在三电平逆变器直侧流的正极，输入端N接在三电平直流侧两个串联储能电容C1、C2形成的中心点，同时连接交流电网的地线，输入端DC-接在三电平直流侧的负极，输入端VAC接在交流电网的相线；

电阻均压单元005包括电阻R4、电阻R9，电阻R4、R9均为1M/1W的碳膜电阻，电阻R4的第一端与所述输入端DC+相连接，电阻R4的第二端与电阻R9的第一端相连接，电阻R9的第二端和输入端DC-相连接；

电阻均压单元005利用两个型号相同的电阻串联均压，每个电阻上分得的电压为逆变器直流侧电压的一半，由于在正常工作时，两个电阻等效于并接在两个储能电容的两端，使得三电平逆变器在正常工作时直流侧上两个储能电容电压相等；

输入电压钳位单元007包括熔断器F1、熔断器F2、共模扼流圈L4、滤波电感L5、滤波电感L7、压敏电阻MOV1、整流二极管D7、整流二极管D9；压敏电阻MOV1的第一端和共模扼流圈L4的第一端相连接，压敏电阻的第二端和共模扼流圈L4的第二端相连接，熔断器F1的第一端和输入端DC-相连接，熔断器F1的第二端和整流二极管D7的负极相连接，整流二极管D7的正极和共模扼流圈L4的第二端相连接，共模扼流圈L4和输入端N相连接，滤波电感L5第一端和输入端N相连接，滤波电感L5的第二端接地，熔断器F2的第一端接输入端VAC，熔断器F2的第二端接接滤波电感L7的第一端，滤波电感的第二端接整流二极管D9的负极，整流二极管的正极接共模扼流圈的第二端，整流二极管D7和D9型号为1N4007，熔断器F1、F2型号为1A/400V，压敏电阻MOV1的型号为20D751K；

开关电源同时输入交流电和直流电，根据整流二极管D9和D7的开通状态，决定开关电源采用直流电供电，还是交流电供电，开关电源主电路008采用负电压供电，当二极管D7负极的电位大于正极的电位时，二极管D9开通，二极管D7关断，开关电源采用电网上的电压供电，电流从N端输入到开关电源主电路后经过整流二极管D9和滤波电感L7和保险丝F2流回电网，F1、F2为保险丝，防止开关电源的电流过大造成安全威胁，提供严重故障保护；当二极管D7负极的电位小于正极的电位时，二极管D9关断，二极管D7开通，开关电源采用储能电容C2上的直流电供电，电流从N端输入到开关电源后经过一个整流二极管D7再经过保险丝F1流回DC-，MOV1为型号为20D751K的压敏电阻，防止C2上的电压过大，可以在不同输入电压瞬态期间进行电压钳位，以便为输入元件提供保护并使开关管的峰值漏极电压维持在750V额定值以下，滤波电感L5单点接地，用于电源滤波；

储能电容能量泄放单元006包括电阻R1、R2、R3、PNP型MOSFET管VL4、电阻R5、电容C8、15V的稳压管D2，电阻R1、R2、R3均为22K/2W的碳膜电阻，电阻R1的第一端接所述输入端DC+，电阻R1的第二端接电阻R2的第一端，电阻R2的第二端接电阻R3的第一端，电阻R3的第二端接MOSFET管VL4的漏极，MOSFET管VL4的漏极接在输入端N，电阻R5的第一端和电容C8的第一端及15V稳压管D2的负极及MOSFET管VL4的栅极与电阻R4的第二端相连接，电阻R5的第二端和电容C8的第二端及15V稳压管D2的正极和输入端N相连接，电阻R5的阻值为100K欧，电容C8为100pF的陶瓷电容；

储能电容能量泄放单元006在三电平逆变器正常工作的时候不工作，在三电平逆变器直流侧及电网突然掉电时，开关电源仍然在工作，此时，开关电源的工作保证了掉电后保护动作依然能可靠执行，提高了逆变器主系统的安全性，由于开关电源的工作消耗储能电容下电容的能量，使得储能电容下电容电压降低，致使上下两个储能电容上的电压不相等，由于电阻分压单元006及电压钳位单元007的作用，输入端N端的电压为0，而分压电阻中点的电位不为零，当分压电阻中点电位和输入端N的电位差大于15V时，稳压管D2被击穿，从而把MOSFET管VL4的栅-源极电压钳制在15V，使得MOSFET管VL4导通，为三电平逆变器直流侧的储能电容C1的能量提供泄放通路，使其在电阻R1、R2、R3上消耗能量，从而使储能电容能量释放，R5、C6构成栅极滤波电路，R5同时也是栅极电容的泄放电阻，起到保护MOSFET管VL4的作用；

图3为本发明具体实施例开关电源的电路原理图，开关电源电压输入后，经滤波加在T1初级绕组的一侧，MOSFET管VL5驱动变压器初级绕组的另一侧，C13、L4和C12构成一个π型滤波器，对差模传导EMI噪声进行衰减。串联的C8和C14构成反激变换器的输入电容，R7和R10为泄放电阻，当辅助电源不工作时为电容C8和C14上的电压提供泄放作用，R8、C11、D6构成标准的RCD钳位电路，当MOSFET管VL5处于关断时，消除因变压器漏感引起的电压尖峰，防止MOSFET管漏极电压尖峰对MOSFET管造成损坏，变压器T1的次级由D3、D4、D10进行整流，本设计对5V主输出D10采用肖特基二极管以提高效率。两路+15V输出使用超快整流二极管D3、D4。C27、L6和C28对主输出进行后级滤波，这样可以消除开关频率纹波，为降低高频率震荡及相关的辐射EMI，在每路输出二极管上添加了RC缓冲电路，控制电路采用带电压基准的电压反馈PWM电路。

Claims (5)

1.一种三电平逆变器开关电源的供电及保护电路，其特征在于，所述的开关电源应用于三电平逆变器，所述的供电及保护电路包括四个输入端、电阻均压单元、输入电压钳位单元、储能电容能量泄放单元。

2.根据权利1所述的四个输入端，其特征在于，所述的四个输入端包括输入端DC+、输入端N、输入端DC-、输入端VAC；所述的输入端DC+连接在三电平逆变器直侧流的正极，所述的输入端N连接在三电平逆变器直流侧两个串联的储能电容形成的中心点，同时连接交流电网的地线；所述的输入端DC-接在三电平逆变器直流侧的负极，所述的输入端VAC接在交流电网的相线。

3.根据权利1或2的所述的电阻均压单元，其特征在于，所述的电阻均压单元包括：电阻R4、电阻R9；所述电阻R4、R9均为1M/1W的碳膜电阻；所述电阻R4的第一端与所述输入端DC+相连接，所述电阻R4的第二端与所述电阻R9的第一端相连接，所述电阻R9的第二端与所述输入端DC-相连接；

所述电阻均压单元利用两个型号相同的电阻串联均压，每个电阻上分得的电压为逆变器直流侧电压的一半，由于在正常工作时，两个电阻等效于并接在两个储能电容的两端，使得三电平逆变器在正常工作时直流侧上两个串联的储能电容电压相等。

4.根据权利1或2所述的输入电压钳位单元，其特征在于,所述输入电压钳位单元包括熔断器F1、熔断器F2、共模扼流圈L4、滤波电感L5、滤波电感L7、压敏电阻MOV1，整流二极管D7、整流二极管D9；所述压敏电阻MOV1的第一端和所述共模扼流圈L4的第一端相连接，所述压敏电阻MOV1的第二端和共模扼流圈L4的第二端相连接，所述熔断器F1的第一端和输入端DC-相连接，所述熔断器F1的第二端和所述整流二极管D7的负极相连接，所述整流二极管D7的正极和所述共模扼流圈L4的第二端相连接，所述的共模扼流圈L4和所述输入端N相连接，所述的滤波电感L5第一端和所述输入端N相连接，所述滤波电感L5的第二端接地，所述的熔断器F2的第一端接输入端VAC，所述熔断器F2的第二端接接所述滤波电感L7的第一端，所述滤波电感的第二端接所述整流二极管D9的负极，所述整流二极管的正极接所述共模扼流圈的第二端，所述整流二极管D7和D9型号为1N4007，所述熔断器F1、F2型号为1A/400V，所述压敏电阻MOV1的型号为20D751K；

所述输入电压钳位单元，其特征在于，开关电源同时输入交流电和直流电，根据所述整流二极管D9和D7的开通状态，决定开关电源采用直流电供电，还是交流电供电；当逆变器系统上电时，所述二极管D7负极的电位大于正极的电位从而关断，所述二极管D9开通，开关电源采用交流电网上的电压供电，电流从所述输入端N输入到开关电源主电路后经过所述整流二极管D9和所述滤波电感L7和所述保险丝F2流回电网；所述F1、F2为保险丝，防止开关电源的电流过大造成安全威胁，提供严重故障保护；当逆变器稳定工作后，逆变器储能电容C1和C2充电至高压状态，所述二极管D7负极的电位小于正极的电位从而导通，所述二极管D9关断，开关电源采用储能电容上的直流电供电，电流从所述输入端N输入到开关电源后经过所述整流二极管D7再经过所述保险丝F1流回所述输入端DC-；所述MOV1为型号为20D751K的压敏电阻，作用是防止储能电容上的电压过大，可以在不同输入电压瞬态期间进行电压钳位，以便为输入元件提供保护并使开关管的峰值漏极电压维持在750V额定值以下；所述滤波电感L5单点接地，用于电源滤波。

5.根据权利1或2或3或4的储能电容能量泄放单元，其特征在于,所述电容能量泄放单元包括电阻R1、R2、R3、PNP型MOSFET管VL4、电阻R5、电容C8、15V的稳压管D2；所述电阻R1、R2、R3均为22K/2W的碳膜电阻，所述电阻R1的第一端接所述输入端DC+，所述电阻R1的第二端接所述电阻R2的第一端，所述电阻R2的第二端接所述电阻R3的第一端，所述电阻R3的第二端接所述MOSFET管VL4的漏极，所述MOSFET管VL4的漏极接所述输入端N，所述电阻R5的第一端和电容C8的第一端及15V稳压管D2的负极及MOSFET管VL4的栅极与所述电阻R4的第二端相连接，所述电阻R5的第二端和电容C8的第二端及15V稳压管D2的正极和输入端N相连接，所述电阻R5的阻值为100K欧，所述电容C8为100pF的陶瓷电容；所述储能电容能量泄放单元，在三电平逆变器正常工作的时候不工作，在三电平逆变器直流侧及电网突然掉电时，由于开关电源仍然在工作，此时，开关电源的工作保证了掉电后保护动作依然能可靠执行，提高了逆变器主系统的安全性；由于开关电源的工作消耗储能电容下电容的能量，使得储能电容下电容电压降低，致使上下两个储能电容上的电压不相等；由于输入端N与电网地线相连接，所述输入端N的电压为0，而此时所述分压电阻R4、R9的中点的电位不为零，当所述分压电阻R4、R9的中点电位和所述输入端N之间的电压大于15V时，所述稳压管D2被击穿，从而把所述MOSFET管VL4的栅-源极电压钳制在15V，使得所述MOSFET管VL4导通，为三电平逆变器直流侧的储能电容的能量提供泄放通路，使其在所述电阻R1、R2、R3上消耗能量，从而使储能电容能量释放；所述电阻R5和所述电容C6构成栅极滤波电路，所述电阻R5同时也是栅极电容的泄放电阻，起到保护所述MOSFET管VL4的作用。

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