CN106253652B - 一种逆变器的过压保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种逆变器的过压保护装置，为每相电路设置过压保护单元，各过压保护单元并联连接，且电路结构相同，在每个过压保护单元设置结构对应的上桥臂电路和下桥臂电路，上下桥臂电路均设置相应的缓冲电容，用于吸收过压；当过压超出缓冲电容的吸收能力时，还可通过电阻放电，增大过压的吸收能力；在外部直流电源的正负母线之间并联蓄能电容器，各缓冲电容吸收的电能量释放到蓄能电容器中，用于为逆变器提供输入电压，有效利用过压的电能量为逆变器工作，并钳制MOSFET器件的漏源电压在正常范围内，既能有效利用过压，又能有效消除过压。

Description

一种逆变器的过压保护装置
技术领域
本发明涉及过压保护装置，具体涉及一种逆变器的过压保护装置。
背景技术
逆变器用于将直流电转变成交流电，主要包括金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和与之并联的续流二极管。MOSFET快速关断时会产生很大的过压，续流二极管反向恢复时两端电压急剧升高，MOSFET同样会产生很大的过压。MOSFET对电压非常敏感，一旦过压超过MOSFET的最大耐压值，会使得MOSFET过热甚至击穿，还会增大开关损耗、危害电机相间绝缘、产生强烈的电磁干扰，影响设备的正常运行。
在逆变器增设吸收电路可解决上述技术问题，吸收电路包括C型、RC型、RCD充放电型以及RCD放电阻止型。C型吸收电路的缺点在于随着功率级别的增大，吸收电路中的电容与直流母线寄生电感形成LC振荡电路，当MOSFET导通时，电容通过MOSFET放电会导致漏极电流急剧增大；RC型吸收电路的缺点在于使用大容量MOSFET时会引起漏极电流升高，吸收效果变差；RCD充放电型吸收电路的缺点在于在功率增大时，回路寄生电感变大，不能有效控制瞬变电压，虽有很好的过压吸收能力，但仍会引起漏极电流升高，损耗增大；RCD放电阻止型吸收电路将过压的能量回馈给电源，其优点在于产生的功耗小、能有效抑制振荡、回路寄生电感小、过压抑制效果好、不会引起集电极电流上升，适合高频大功率的逆变器，其缺点在于吸收电路中的电容只能将过压能量回馈给电源，当MOSFET的漏极电流过大时，过压吸收不完全。
发明内容
本发明提供一种逆变器的过压保护装置，解决现有逆变器不能有效消除过压导致设备稳定性差的问题。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种逆变器的过压保护装置，包括至少一个过压保护单元，各过压保护单元并联连接，且结构相同；所述过压保护单元包括两个MOSFET、四个电阻、两个电容以及四个二极管，分别为第一MOSFET、第二MOSFET、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；所述第一MOSFET、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一二极管、第二二极管组成上桥臂电路；在上桥臂电路中，所述第一电阻并联在第一MOSFET的漏极和源极之间，所述第一电容和第一二极管串联之后并联在第一MOSFET的漏极和源极之间，所述第一二极管的阳极经第二电阻与第二二极管的阴极相连，所述第二二极管的阳极接地，所述第一二极管的阴极与第一MOSFET的源极相连，第一MOSFET的源极与第二MOSFET的漏极相连，第一MOSFET的漏极接外部直流电源；所述第二MOSFET、第三电阻、第四电阻、第二电容、第三二极管和第四二极管组成下桥臂电路；在下桥臂电路中，所述第三电阻并联在第二MOSFET的漏极和源极之间，所述第三二极管和第二电容串联之后并联在第二MOSFET的漏极和源极之间，所述第二MOSFET的源极接地，所述第三二极管的阳极与第二MOSFET的漏极相连，所述第三二极管的阴极经第四电阻与第四二极管的阳极相连，所述第四二极管的阴极与第一MOSFET的漏极相连。
进一步地，所述第一MOSFET为Q8、第二MOSFET为Q5、第一电阻为R1、第二电阻为R3、第三电阻为R2、第四电阻为R4、第一电容为C1、第二电容为C8、第一二极管为D2、第二二极管为D3、第三二极管为D4以及第四二极管为D1；所述Q8、R1、R3、C1、D2、D3组成上桥臂电路；在上桥臂电路中，所述R1并联在Q8的漏极和源极之间，所述C1和D2串联之后并联在Q8的漏极和源极之间，所述D2的阳极经R3与D3的阴极相连，所述D3的阳极接地，所述D2的阴极与Q8的源极相连，Q8的源极与Q5的漏极相连，Q8的漏极接外部直流电源；所述Q5、R2、R4、C8、D4和D1组成下桥臂电路；在下桥臂电路中，所述R2并联在Q5的漏极和源极之间，所述D4和C8串联之后并联在Q5的漏极和源极之间，所述Q5的源极接地，所述D4的阳极与Q5的漏极相连，所述D4的阴极经R4与D1的阳极相连，所述D1的阴极与Q8的漏极相连。
进一步地，所述第一电阻和第三电阻为压敏电阻。
进一步地，所述各二极管为快恢复二极管或肖特基二极管。
进一步地，在所述外部直流电源的正负母线之间并联接入蓄能电容器。
与现有技术相比，具有如下特点：
为每相电路设置过压保护单元，各过压保护单元并联连接，且电路结构相同，在每个过压保护单元设置结构对应的上桥臂电路和下桥臂电路，上下桥臂电路均设置相应的缓冲电容，用于吸收过压；当过压超出缓冲电容的吸收能力时，还可通过电阻放电，增大过压的吸收能力；在外部直流电源的正负母线之间并联蓄能电容器，各缓冲电容吸收的电能量释放到蓄能电容器中，用于为逆变器提供输入电压，有效利用过压的电能量为逆变器工作，并钳制MOSFET器件的漏源电压在正常范围内，既能有效利用过压，又能有效消除过压。
附图说明
图1为本发明结构原理框图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
一种逆变器的过压保护装置，包括至少一个过压保护单元，各过压保护单元并联连接，且结构相同；过压保护单元包括两个MOSFET、四个电阻、两个电容以及四个二极管，分别为第一MOSFET、第二MOSFET、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；第一MOSFET、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一二极管、第二二极管组成上桥臂电路；在上桥臂电路中，第一电阻并联在第一MOSFET的漏极和源极之间，第一电容和第一二极管串联之后并联在第一MOSFET的漏极和源极之间，第一二极管的阳极经第二电阻与第二二极管的阴极相连，第二二极管的阳极接地，第一二极管的阴极与第一MOSFET的源极相连，第一MOSFET的源极与第二MOSFET的漏极相连，第一MOSFET的漏极接外部直流电源；第二MOSFET、第三电阻、第四电阻、第二电容、第三二极管和第四二极管组成下桥臂电路；在下桥臂电路中，第三电阻并联在第二MOSFET的漏极和源极之间，第三二极管和第二电容串联之后并联在第二MOSFET的漏极和源极之间，第二MOSFET的源极接地，第三二极管的阳极与第二MOSFET的漏极相连，第三二极管的阴极经第四电阻与第四二极管的阳极相连，第四二极管的阴极与第一MOSFET的漏极相连。
本发明应用在电动叉车控制系统时，外部直流电源为+48V，逆变器包括A、B、C三相电路，为每相电路设置过压保护单元，各过压保护单元的电路结构完全相同，用于消除各相电路上的MOSFET器件产生的过压。
A相的过压保护单元中，第一MOSFET为Q8、第二MOSFET为Q5、第一电阻为R1、第二电阻为R3、第三电阻为R2、第四电阻为R4、第一电容为C1、第二电容为C8、第一二极管为D2、第二二极管为D3、第三二极管为D4以及第四二极管为D1；Q8、R1、R3、C1、D2、D3组成上桥臂电路；在上桥臂电路中，R1并联在Q8的漏极和源极之间，C1和D2串联之后并联在Q8的漏极和源极之间，D2的阳极经R3与D3的阴极相连，D3的阳极接地GND，D2的阴极与Q8的源极相连，Q8的源极与Q5的漏极相连，Q8的漏极接外部直流电源；Q5、R2、R4、C8、D4和D1组成下桥臂电路；在下桥臂电路中，R2并联在Q5的漏极和源极之间，D4和C8串联之后并联在Q5的漏极和源极之间，Q5的源极接地GND，D4的阳极与Q5的漏极相连，D4的阴极经R4与D1的阳极相连，D1的阴极与Q8的漏极相连。
同理，在B相的过压保护单元中，对应的两个MOSFET分别为Q3和Q4，对应的四个电阻分别为R17、R9、R33和R15，对应的两个电容分别为C6和C17，对应的四个二极管分别为D13、D11、D5和D8，各器件的电路连接与A相的过压保护单元对应相同。
同理，在C相的过压保护单元中，对应的两个MOSFET分别为Q1和Q2，对应的四个电阻分别为R18、R11、R34和R23，对应的两个电容分别为C7和C18，对应的四个二极管分别为D7、D12、D6和D9，各器件的电路连接与A相的过压保护单元对应相同。
为充分吸收和利用MOSFET产生的过压能量，提高相电路的可靠性和电磁兼容性，在设置各过压保护单元的基础上，还在所述外部直流电源的正负母线之间并联接入蓄能电容器，用于吸收缓冲电容C1、C8释放的电能，同时，蓄能电容器还起到滤波作用，在外部直流电源的正负母线之间提供低阻抗的放电回路。另外，过压会注入外部直流电源，产生频谱分量复杂、幅值很高的电源噪声，既降低自身性能，又对周围设备产生电磁干扰，蓄能电容器的设置，能吸收该电源噪声，改善外部直流电源性能，消除对周围设备的电磁干扰。
蓄能电容器为大小不等的几组电容，并联接入直流电源的正负母线上，均匀分布在三相桥臂的周围，蓄能电容器在蓄能的同时起到滤波作用。蓄能电容器用于吸收缓冲电容C1放出的电能，具有平缓电压和滤波的作用。在逆变器中，蓄能电容器是外部直流电源与电机之间的储能元件，起到稳定逆变器母线电压的作用，直接影响设备的功率密度、安全性和可能性。蓄能电容器容值越大，外部直流电源输出的电压就越稳定，但是蓄能电容器不宜选择电容过大的电解电容，大电容在高频时显现出来电感特性失去滤波的作用。因此，蓄能电容器应选用小于10微法的陶瓷电容，为了提高储能电容对高频杂波的吸收能力，在蓄能电容器的基础上加装100nF×3个陶瓷电容，电容必须均匀的分布在三相桥臂的MOSFET器件旁，使得在宽频率范围内仍具有很好的滤波效果。
电阻R1为压敏电阻，同理，电阻R2也为压敏电阻。金属氧化物压敏电阻是一种良好的电压尖峰抑制器件，具有响应快、能够抑制高过压、窄宽度过压的特点。金属氧化物压敏电阻具有通容电流大，漏电流小的优点，广泛的应用到大功率逆变器中，同时压敏电阻也等效为与电机并联接入逆变器中，也能起到保护电机相间绝缘的作用，当电机反电势过高时，压敏电阻可以保护逆变器不被击穿。
6路SVPWM信号分别输入至Q8、Q5、Q3、Q4、Q1和Q2的栅极，各MOSFET器件在SVPWM驱动信号的控制下进行导通和关断，以产生三相对称可调的交流电驱动电机。
A相过压保护单元中Q8关断时，其漏极和源极之间产生过压，过压通过二极管D2向缓冲电容C1充电，逆变器中的寄生电感的磁场能量转换为电场能量存储在缓冲电容C1中，当缓冲电容C1充电结束后，二极管D2阻止缓冲电容C1通过Q8放电，缓冲电容C1通过二极管D3和电阻R3向蓄能电容器充电，过压的能量再次转换为可以利用的电能存储在蓄能电容器中。当产生的过压超出缓冲电容C1的吸收能力时，压敏电阻R1的阻值急剧减小，快速泄放能量，钳制漏源电压在正常范围内。同理，A相过压保护单元Q5关断时，产生的过压通过二极管D4向电容C8充电，逆变器的寄生电感的电磁能量转化为电场能存入电容C8中，抑制了Q5漏源过电压的产生。C8储存的电场能量通过电阻R4和二极管D1向蓄能电容器泄能，防止Q5的漏极电流升高。当Q5的关断电流过大，产生的过压超出电容C8的吸收能力时，压敏电阻R2的阻值急剧减小，快速泄放掉寄生电感产生的能量，把Q5漏源间电压稳定在正常范围内。通过上述介绍可知，该过压保护单元中的电容不会与寄生电感形成LC振荡电路，不会增大电路中的寄生电感，不会出现Q8漏极电流急剧增大的情况，也不会增大开关损耗，且吸收方式并非单一，不会出现过压吸收不完全的现象，吸收过压的效果好。
各电容为高频低感的薄膜电容或者陶瓷电容，电容越大，吸收能力越好，但也会延长充放电时间。各电阻为无感电阻，可将多个电阻并联使用，以减小电感。缓冲电容C1的电容值通过求出，其中，UDS为最大漏源极间电压，Ud为电源母线电压，LS为电路中寄生电感和杂散电感之和，Id为最大漏极电流。
当Q8关断电流过大时，漏极和源极之间产生很大的过压，一旦过压超出缓冲电容C1的吸收能力，可通过电阻R1泄能，将漏源电压保持在90-110V；如果相电路中电流小，产生的过压小，过压则以电场能的形式存储在缓冲电容中，减少了电路损耗。为不影响过压保护单元下一周期的吸收过压，在Q8的下次关断动作到来之前，缓冲电容C1中的能量必须充分转移至蓄能电容器中。通常认为过了3倍RC，电容存储电荷基本上全部放出，则可通过求出电阻R3的阻值，其中，CS为缓冲电容C1的电容值，T为SVPWM信号的周期，d为占空比。
蓄能电容器为陶瓷电容时，通过求出蓄能电容器的容值，其中，I为电流有效值，U为纹波电压，f为Q8的开关频率。
各二极管为正向导通压降小、反向耐压有足够余量、反向恢复时间短的快恢复二极管或肖特基二极管。一旦二极管的反向恢复时间延长，过压保护单元的功耗就会变大，在二极管反向恢复时MOSFET的漏源极间电压就会发生大幅度的振荡，因此要选择瞬态正向压降低，反向恢复平顺且时间短的二极管。二极管D3可以防止电路发生振荡，电阻R3则用于限流。
由于过压保护单元中的上下桥臂电路结构相对应，各过压保护单元电路结构相同，因此，通过上述求解方式，可对应地计算出各缓冲电容以及各电阻值的取值。

Claims (4)

1.一种逆变器的过压保护装置，其特征在于：
包括至少一个过压保护单元，各过压保护单元并联连接，且结构相同；
所述过压保护单元包括两个MOSFET、四个电阻、两个电容以及四个二极管，分别为第一MOSFET、第二MOSFET、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；
所述第一MOSFET、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一二极管、第二二极管组成上桥臂电路；在上桥臂电路中，所述第一电阻并联在第一MOSFET的漏极和源极之间，所述第一电容和第一二极管串联之后并联在第一MOSFET的漏极和源极之间，所述第一二极管的阳极经第二电阻与第二二极管的阴极相连，所述第二二极管的阳极接地，所述第一二极管的阴极与第一MOSFET的源极相连，第一MOSFET的源极与第二MOSFET的漏极相连，第一MOSFET的漏极接外部直流电源；
所述第二MOSFET、第三电阻、第四电阻、第二电容、第三二极管和第四二极管组成下桥臂电路；在下桥臂电路中，所述第三电阻并联在第二MOSFET的漏极和源极之间，所述第三二极管和第二电容串联之后并联在第二MOSFET的漏极和源极之间，所述第二MOSFET的源极接地，所述第三二极管的阳极与第二MOSFET的漏极相连，所述第三二极管的阴极经第四电阻与第四二极管的阳极相连，所述第四二极管的阴极与第一MOSFET的漏极相连。
2.根据权利要求1所述的一种逆变器的过压保护装置，其特征在于：所述第一电阻和第三电阻为压敏电阻。
3.根据权利要求1所述的一种逆变器的过压保护装置，其特征在于：所述各二极管为快恢复二极管或肖特基二极管。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种逆变器的过压保护装置，其特征在于：在所述外部直流电源的正负母线之间并联接入蓄能电容器。
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