CN104391535A - 一种直流母线电容均压方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流母线电容均压方法，属于电力电子技术领域。本发明的直流母线电容均压方法，所述直流母线电容包括串联后并联于直流母线正、负极之间的第一电容、第二电容，第一电容和第二电容的电容大小相等，第一电容的一端与直流母线正极连接，第二电容的一端与直流母线的负极连接，设置分别与第一电容、第二电容并联的第一支路、第二支路，根据所述第一电容与第二电容的中点电压以及母线电压，对第二支路的电阻进行自适应调整，使得第一电容两端电压和第二电容两端电压相等。本发明还公开了一种直流母线电容均压装置。相比现有技术，本发明技术方案具有功率损耗低，均压效果显著，成本低且体积小的优点。

Description

一种直流母线电容均压方法及装置

技术领域

本发明涉及一种直流母线电容均压方法及装置，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着石油、煤炭等资源的不断减少，以及全球气候变暖的严峻形势，节能、环保已经成为目前社会一个重要的课题，为了这个目的，越来越多的电力电子设备用于人们的生产生活中。大容量电容在电力电子设备中一般会出现在直流母线上作为滤波电容，出于母线电压高或设备采用三电平拓扑等原因，很多产品会把额定电压较低的电容串联后接到母线上，从而满足高母线电压的要求或是为三电平拓扑提供中点电压。由于电容自身都存在一定的漏电流，等效于有一个电阻与电容并联，该电阻我们称为绝缘电阻，如果不做处理直接把电容串联后接到母线上，由于每个电容的绝缘电阻都有一定的差异，会导致串联的电容两端电压出现不平衡现象，特别是当使用时间长或者环境改变后，绝缘电阻会变得更加不对称，从而可能出现更严重的不平衡电压，而导致其中一个电容承受的电压过高而损坏。

如图1所示，电容C1、C2串联后并联于母线上，电容C1、C2一般为相同型号的电容，Rp、Rq分别为两个电容的绝缘电阻（为了方便理解电容C1、C2的绝缘电阻Rp、Rq，本申请的说明书附图中均将绝缘电阻Rp、Rq如图1一样表示了出来，实际的电路图中是不存在的，其绝缘电阻Rp、Rq为电容C1、C2内部电阻），如果不加任何措施，那么电容C1、C2的两端电压U1、U2的值取决于绝缘电阻Rp、Rq，即U1= Rp /（Rp+Rq），U2= Rq /（Rp+Rq）,虽然C1、C2为相同型号电容，但是无论哪种电容其不同个体绝缘电阻都会存在一定的差异，即Rp≠Rq,导致U1≠U2,从公式中可知，Rp、Rq差异较大，就会造成U1、U2的电压差较大，那就必须选择耐压较高的电容，这样就失去了串联的意义，现有技术一般在C1、C2两端各自并联一个电阻R1、R2，电阻R1、R2的阻值根据所使用的电容等效电阻的最小估算值选择其1/5或更小，从而使U1、U2的值取决于R1、R2，从而达到均压的目的，这种方式有时需要选择阻值较小R1、R2，在母线电压较高的时候，在R1、R2上就会产生不小的功耗，并且均压效果也需取决于所选R1、R2电阻的精度。当应用到如光伏逆变器中时，其母线电压一般都很高，有的可达到1000V，这样在均压电阻上会产生较大的功率损耗，降低效率，而且由于较大的功率损耗不得不选择功率很大的电阻，增大了体积和成本，且由于功率电阻的误差（大功率电阻精度一般较差），均压效果不一定理想。

为了解决上述问题，一份中国专利申请（申请号：201310271104.1，公开日为2013-10-2）公开了一种低损耗串联电容均压装置，将两MOS管Q1和Q2与电容器组C1和C2并联，再将一电阻R1与电容器组C1和C2的中点电连接，从而实现串联电容均压设置。但该技术方案由于MOS管的开通阀值的存在，必然导致中点不可能完全平衡，存在一定净差。另外由于MOS管驱动需要有一定的驱动功率，该技术方案的MOS管驱动源为高阻抗，会影响其响应速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种直流母线电容均压方法及装置，其具有功率损耗低，均压效果显著，成本低且体积小的优点。

本发明采用以下技术方案：

一种直流母线电容均压方法，所述直流母线电容包括串联后并联于直流母线正、负

极之间的第一电容、第二电容，第一电容和第二电容的电容大小相等，第一电容的一端与直流母线正极连接，第二电容的一端与直流母线的负极连接，设置分别与第一电容、第二电容并联的第一支路、第二支路，根据所述第一电容与第二电容的中点电压以及母线电压，对第二支路的电阻进行自适应调整，使得第一电容两端电压和第二电容两端电压相等。

上述技术方案中，对第二支路的电阻调整可利用现有的膜式、线绕式等可变电阻器实现，为了能使中点电压达到完全平衡，进一步地，本发明通过以下方法实现对第二支路的电阻进行调整：在第二支路中设置一个三极管或一个MOS管，所述三极管/MOS管的集电极/漏极连接第一电容与第二电容的中点，所述三极管/MOS管的发射极/源极连接直流母线的负极，通过对所述三极管/MOS管的发射极/源极输入不同的驱动电压，使得所述三极管/MOS管的电阻改变，进而改变第二支路的电阻。

为了降低成本，避免使用微处理器、单片机等昂贵的元器件，更进一步地，本发明对所述三极管/MOS管的发射极/源极输入不同的驱动电压，通过以下方法实现：分别以采样得到的第一电容与第二电容的中点电压信号、母线电压信号作为一运算放大器的反相输入、同相输入，以所述运算放大器的输出信号作为所述三极管/MOS管的驱动电压信号。

一种直流母线电容均压装置，所述直流母线电容包括串联后并联于直流母线正、负

极之间的第一电容、第二电容，第一电容和第二电容的电容大小相等，第一电容的一端与直流母线正极连接，第二电容的一端与直流母线的负极连接，所述均压装置包括分别与第一电容、第二电容并联的第一支路、第二支路；所述均压装置还包括取样调整电路，该取样调整电路可根据所述第一电容与第二电容的中点电压以及母线电压，对第二支路的电阻进行自适应调整，使得第一电容两端电压和第二电容两端电压相等。

优选地，所述第一支路包括第一电阻，所述第二支路包括一个三极管或一个MOS管，所述三极管/MOS管的集电极/漏极连接第一电容与第二电容的中点，所述三极管/MOS管的发射极/源极连接直流母线的负极，所述三极管/MOS管的基极/门极连接所述取样调整电路的输出端。

进一步地，所述取样调整电路包括第三～第六电阻、运算放大器，第三、第四电阻串联后连接于直流母线正极、负极之间，第五、第六电阻串联后连接于第一电容与第二电容的中点和直流母线负极之间，第三和第四电阻的中点与所述运算放大器的反相输入端连接，第五和第六电阻的中点与所述运算放大器的同相输入端连接，所述运算放大器的输出端与所述三极管/MOS管的基极/门极连接；所述第一电阻的电阻值小于第一电容的绝缘电阻和第二电容的绝缘电阻中的较小值，且所述第三～第六电阻的电阻值R3～R6满足以下公式：

2*R4/（R3+R4）=R6/（R5+R6）  。

优选地，所述第二支路还包括电阻值小于第一电阻的第二电阻，第二电阻连接于三极管/MOS管的集电极/漏极和第一电容与第二电容的中点之间。

相比现有技术，本发明的各技术方案具有以下有益效果：

本发明的低阻驱动响应速度快，中点电压完全平衡，基本无净差，均压效果显著，并能进行实时调节，精度高，耐压性能高，可靠性高，功率损耗低，且本发明的成本较低。

附图说明

图1为现有直流母线电容均压技术的原理示意图；

图2为本发明直流母线电容均压装置的原理示意图；

图3为本发明直流母线电容均压装置的一个优选实施例的电路图。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

本发明的思路是为要均压的两个串联电容分别设置并联的两个支路，并根据两电容的中点电压以及母线电压，利用取样调整电路对其中一个或两个支路的电阻进行自适应调整，使得两个串联电容两端电压相等。其原理如图2所示。

要实现该技术方案，最简单的方式是在至少一个支路中设置可变电阻器，并采用传统的反馈控制电路对两电容的中点电压以及母线电压进行采样，然后根据采样结果控制可变电阻器的电阻大小。然而，此方法成本高、电路复杂。

为此，本发明的优选技术方案是利用三极管（或者MOSFET）本身可作为可变电阻的特性，通过运算放大器在负反馈工作下驱动三极管（或者MOSFET），从而使两串联电容两端的电压趋于平衡。下面对本发明的优选技术方案进行详细说明。

本优选实施例中，直流母线电容均压装置的电路如图3所示。电容C1、C2串联后并联在母线上，其均压装置如图所示，电阻R1构成的的并联支路1与电容C1并联，由电阻R2与晶体管Q组成的并联支路2与电容C2并联，一取样调整电路连接母线和电容C1、C2的中点分别取样母线电压和电容中点电压，并控制并联支路2的电阻。

所述晶体管Q可为三极管或MOSFET管。

取样调整电路由电阻R3、R4、R5、R6以及运算放大器U组成。电阻R2的一端与电阻R1相连，电阻R2的另一端与三极管（或者MOSFET管）Q的集电极（或者MOSFET管的漏极）相连，三极管（或者MOSFET管）Q的发射极（或者MOSFET管的源极）接母线负端。电阻R3的一端与电阻R1的一端相连后连接于母线正端，电阻R3的另一端与电阻R4的一端相连后与运算放大器U反相输入端相连，电阻R5的一端与电阻R1的另一端相连后连接于母线电容C1、C2中点，电阻R5的另一端与电阻R6的一端连接后接运算放大器正相输入端（或称同相输入端），电阻R4另一端与电阻R6的另一端共同接母线负端，运算放大器U的输出端与三极管（或者MOSFET管）Q的基极（或者MOSFET管的门极）相连。

由于三极管（或者MOSFET）的等效电阻由基极（或门极）的驱动电流（或电压）决定，在本例中三极管（或者MOSFET）采用NPN型（或者N型MOSFET），运算放大器的输出驱动需要正电压才能使其工作，母线上电开始就应该使运算放大器的正相输入端电压大于反向输入端电压，所以R1的阻值应比根据实际电容估算的最小绝缘电阻阻值略小，R3、R4、R5、R6的取值由公式2*R4/（R3+R4）=R6/（R5+R6）确定。并且最好令R3、R5的阻值远大于R1的阻值，从而使得取样电路对C1、C2并联支路的电阻几乎无影响。R2的取值应小于R1，一般可取其1/2左右，这样C2的并联支路的电阻调整范围比较宽，可以达到R1/2~+∞。

母线上电后，设母线电压为Udc，由于刚开始三极管（或者MOSFET）处于开路状态，C2并联支路的电阻为+∞，由于C1并联支路有电阻R1，取合适的R1值，使C1两端电压U1小于C2两端电压U2，此时运算放大器正相输入端电压U+=U2*R6/（R5+R6），U-=Udc*R4/（R3+R4），由于U1<U2,U1+U2=Udc, 则U2>U/2，再由2*R4/（R3+R4）=R6/（R5+R6），可得到U+>U-，此时运算放大器驱动三极管（或者MOSFET）工作，使得C2并联支路的电阻由+∞逐渐变小，此时电压U2也逐渐变小，直到U2=Udc/2，此时U+=U-,电路平衡，这样就达到了均压的目的，理论上理想运算放大器能够使C1、C2两端电压完全相等，但是由于运算放大器存在一定的偏置电压和偏置电流，取样电阻也有精度，所以U1、U2有一定偏差，但仍可能极大改善现有技术带来的电压偏差，并且电路的功耗较小。

此外，需要说明的是，考虑到现有三极管（或者MOSFET）的漏电流存在，等于在并联支路2上并有一电阻，如果三极管（或者MOSFET）的漏电流较大会导致中点电压始终低于1/2母线电压。为了保证中点电压能大于1/2母线电压，本实施例中在并联支路2中设置有电阻R2。另外对于需要进行中点控制的类似三电平拓朴，如果中点控制不好，导致三极管（或者MOSFET）开通时流过较大电流，会使其损坏。因此也需要在并联支路2中设置有电阻R2。实际上也可以在该支路中仅设置三极管（或者MOSFET），也可达到一定的均压效果。

Claims (8)

1.一种直流母线电容均压方法，所述直流母线电容包括串联后并联于直流母线正、负极之间的第一电容、第二电容，第一电容和第二电容的电容大小相等，第一电容的一端与直流母线正极连接，第二电容的一端与直流母线的负极连接，其特征在于，设置分别与第一电容、第二电容并联的第一支路、第二支路，根据所述第一电容与第二电容的中点电压以及母线电压，对第二支路的电阻进行自适应调整，使得第一电容两端电压和第二电容两端电压相等。

2.如权利要求1所述均压方法，其特征在于，通过以下方法实现对第二支路的电阻进行调整：在第二支路中设置一个三极管或一个MOS管，所述三极管/MOS管的集电极/漏极连接第一电容与第二电容的中点，所述三极管/MOS管的发射极/源极连接直流母线的负极，通过对所述三极管/MOS管的发射极/源极输入不同的驱动信号，使得所述三极管/MOS管的电阻改变，进而改变第二支路的电阻。

3.如权利要求2所述均压方法，其特征在于，对所述三极管/MOS管的发射极/源极输入不同的驱动信号，通过以下方法实现：分别以采样得到的第一电容与第二电容的中点电压信号、母线电压信号作为一运算放大器的反相输入、同相输入，以所述运算放大器的输出信号作为所述三极管/MOS管的驱动信号。

4.一种直流母线电容均压装置，所述直流母线电容包括串联后并联于直流母线正、负极之间的第一电容、第二电容，第一电容和第二电容的电容大小相等，第一电容的一端与直流母线正极连接，第二电容的一端与直流母线的负极连接，所述均压装置包括分别与第一电容、第二电容并联的第一支路、第二支路；其特征在于，所述均压装置还包括取样调整电路，该取样调整电路可根据所述第一电容与第二电容的中点电压以及母线电压，对第二支路的电阻进行自适应调整，使得第一电容两端电压和第二电容两端电压相等。

5.如权利要求4所述直流母线电容均压装置，其特征在于，所述第一支路包括第一电阻，所述第二支路包括一个三极管或一个MOS管，所述三极管/MOS管的集电极/漏极连接第一电容与第二电容的中点，所述三极管/MOS管的发射极/源极连接直流母线的负极，所述三极管/MOS管的基极/门极连接所述取样调整电路的输出端。

6.如权利要求5所述直流母线电容均压装置，其特征在于，所述第二支路还包括电阻值小于第一电阻的第二电阻，第二电阻连接于三极管/MOS管的集电极/漏极和第一电容与第二电容的中点之间。

7.如权利要求6所述直流母线电容均压装置，其特征在于，所述第二电阻的电阻值为第一电阻电阻值的一半。

8.如权利要求5所述直流母线电容均压装置，其特征在于，所述取样调整电路包括第三～第六电阻、运算放大器，第三、第四电阻串联后连接于直流母线正极、负极之间，第五、第六电阻串联后连接于第一电容与第二电容的中点和直流母线负极之间，第三和第四电阻的中点与所述运算放大器的反相输入端连接，第五和第六电阻的中点与所述运算放大器的同相输入端连接，所述运算放大器的输出端与所述三极管/MOS管的基极/门极连接；所述第一电阻的电阻值小于第一电容的绝缘电阻和第二电容的绝缘电阻中的较小值，且所述第三～第六电阻的电阻值R3～R6满足以下公式：

2*R4/（R3+R4）=R6/（R5+R6）。