CN107241013A - 用于平衡逆变器中的直流链路电容器的电压的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开提供了一种用于平衡逆变器的直流(DC)链路电容器的电压的装置。本公开的装置包括开关单元，其连接到彼此串联连接的第一和第二电阻器之间的节点(参考点)和彼此串联连接的第一和第二电容器之间的节点(中性点)，并且被配置为在参考点和中性点之间短路和断开；以及控制单元，其被配置为，当参考点的电压(参考点电压)与中性点的电压(中性点电压)彼此不同时，控制开关单元在参考点和中性点之间短路。

Description

用于平衡逆变器中的直流链路电容器的电压的装置
技术领域
本发明涉及一种用于平衡逆变器的直流(DC)链路电容器的电压的装置。
背景技术
通常，逆变器是用于接收交流(AC)电力、将AC电力整流成直流(DC)电力以及输出具有期望频率和期望大小的AC电力的装置。在这一点上，平滑电解电容器连接到逆变器的整流单元的DC链路。
当逆变器是具有400V的输入电压的类型时，在平滑单元的电解电容器处充电的电压为大约500V至800V。但是，由于现有的电解电容器的额定电压为400V，所以当设计具有400V的输入电压的逆变器的平滑单元时，通过串联连接电解电容器，将平滑单元的等效额定电压设计为具有800Vdc。
图1是用于描述现有的逆变器的构造图。
平滑单元200配置有用于使由整流单元100整流的交流电力平滑的电解电容器210、220、230和240以及分别与电解电容器210、220、230和240并联连接的分压电阻器215、225、235和245，并且在平滑单元200中充电的电压被施加到逆变器单元300的开关元件(未示出)。在这一点上，两个电解电容器和两个分压电阻器彼此串联连接。
这种常规工业逆变器的平滑单元200具有其中电解电容器和分压电阻器串联和并联连接的结构，如图1所示，使得单个电容器对于单个分压电阻器是必需的。使用多个电解电容器的逆变器需要与电解电容器的数量相对应的分压电阻器，从而存在需要用于机械地容纳电解电容器和分压电阻器的空间以及随着分压电阻器数量增加制造成本增加的问题。
此外，在电解电容器处通过分压电阻器总是发生漏电流，从而存在降低逆变器的效率的问题。
同时，当平滑单元200的电压不均等地施加到彼此串联连接的电容器时，可以在特定电容器处对额定电压(例如，400V)以上的电压进行充电。在这种情况下，电容器爆炸，从而存在逆变器被损坏的问题并且由于在电容器爆炸时产生的电火花而导致火灾的风险增加。
发明内容
为了解决上述问题，本公开的目的是提供一种电压平衡装置，其能够在不使用逆变器的平滑单元中的分压电阻器的情况下均等地维持电解电容器的两端处的电压。
为了实现该目的，在包括用等效地彼此串联连接的第一和第二电容器配置的平滑单元的逆变器系统中，根据本公开的用于平衡施加到第一和第二电容器的电压的装置可以包括彼此串联连接的第一和第二电阻器，其中第一和第二电阻器的串联连接与平滑单元并联连接；开关单元，其连接到第一和第二电阻器之间的节点(参考点)和第一和第二电容器之间的节点(中性点)，并且被配置为在所述参考点和所述中性点之间短路和断开；以及控制单元，其被配置为当参考点的电压(参考点电压)和中性点的电压(中性点电压)彼此不同时，控制所述开关单元在所述参考点和所述中性点之间短路。
本公开的一个实施例的装置还可以包括连接在参考点和中性点之间的电压测量元件。
在本公开的一个实施例中，开关单元可以包括第一和第二反并联连接的晶闸管。
在本公开的一个实施例中，控制单元可以包括：放大单元，其被配置为放大参考点电压和中性点电压之间的差；检测单元，其被配置为检测放大单元的输出电压超过处于预定范围中的第一参考和第二参考；以及施加单元，其被配置为根据检测单元的输出来施加控制开关单元的电流。
在本公开的一个实施例中，检测单元可以包括第一比较器，其被配置为当放大单元的输出电压大于第一参考时，使得施加单元能够将电流施加到开关单元；以及第二比较器，其被配置为当放大单元的输出电压小于第二参考时，使得施加单元能够将电流施加到开关单元。
在本公开的一个实施例中，第一和第二电阻器的电阻值可以大致彼此相同。
如上所述，本公开能够在逆变器的平滑单元处不使用分压电阻器的情况下维持平滑单元的电容器的电压之间的平衡，使得逆变器的尺寸减小并且逆变器制造成本可以减少。
此外，设计者可以使用电压不平衡检测单元的参考值+REF和-REF来设置中性点和参考点之间的电压差，其确定了本公开的平衡装置的操作，使得存在以下效果，其中可以按照设计者的意图设计各种电路。
此外，根据本公开，电压不平衡被设计为通过硬件来解决，使得存在以下效果，其中当在平滑单元3处发生电压不平衡时在没有根据软件处理而造成时间延迟的情况下可以将平滑单元3的电容器的两端处的电压调整为平衡。
附图说明
图1是用于描述现有的逆变器的构造图。
图2是用于描述根据本公开的一个实施例的逆变器系统的示意性构造图。
图3A和图3B分别是用于描述本公开的一个实施例的平滑单元的配置的一个示例图。
图4是本公开的一个实施例中的开关单元的详细构造图。
图5是本公开的一个实施例中的控制单元的详细构造图。
图6至图8分别是用于描述本公开的平衡装置的操作的一个示例图。
具体实施方式
本公开可以进行各种修改并且将具有各种实施例，使得将在附图中例示具体实施例并将进行详细描述。然而，本文公开的具体实施例在某种意义上不是用于将本公开限于这些实施例，而是为了解释本发明，并且应当理解，许多其它的替代物、等同物和取代基将落入本发明的精神和范围内。
在下文中，将参照附图详细描述根据本公开的一个优选实施例。
图2是用于描述根据本发明的一个实施例的逆变器系统的示意性构造图。
如图所示，本公开的一个实施例的系统可以包括整流单元1、本公开的平衡装置2、平滑单元3，其配置有彼此串联连接的第一电容器C1和第二电容器C2，以及逆变器单元4。在这一点上，串联连接的平滑单元3的第一电容器C1和第二电容器C2被称为“直流(DC)链路电容器”。
整流单元1可以对施加到DC电压的三相交流(AC)电压进行整流，并且平滑单元3可以平滑DC电压。通常，逆变器单元4可以根据开关元件的操作输出预定频率和预定幅度的AC电压，以将AC电压施加到电机(未示出)。
在本公开的一个实施例中，示例了其中第一电容器C1和第二电容器C2串联连接的平滑单元3，但是本公开不限于此。因此，平滑单元3可以配置有彼此连接的多个电解电容器，并且这可以表示为等效配置。
图3A和图3B分别是用于描述本公开的一个实施例的平滑单元3的配置的一个示例图。
这里，如图3A所示，可以连接两个电解电容器，并且如图3B所示，两个电解电容器的连接可以是并联连接的。如上所述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，图3B中示出的构造可以等效地示出为如图3中的那样。
再参考图3，本公开的一个实施例的平衡装置2可以包括分别与平滑单元3并联连接的第一电阻器R1和第二电阻器R2、用于测量电压的第三电容器30、开关单元40以及用于控制开关单元40的控制单元50。
第一电阻器R1和第二电阻器R2分别具有大致相同的电阻。在本公开的描述中，第一电阻器R1和第二电阻器R之间的节点A被称为“参考点”，并且节点A的电压被称为“参考点电压”。
第一电阻器R1和第二电阻器R2可以是几千欧姆(kΩ)。像这样，第一电阻器R1和第二电阻器R2的电阻值增加，并且因此流过参考点A的电流被制成几毫安(mA)，使得在第一电阻器R1和第二电阻器R2处的电力消耗可以最小化。
此外，第一电容器C1和第二电容器C2之间的节点B被称为“中性点”，并且节点B的电压被称为“中性点电压”。
在这样的配置中，第三电容器30可以测量中性点B和参考点A之间的电压。
在本公开的一个示例中，电容器被示例为用于测量中性点和参考点之间的电压的元件，但是不限于此，可以使用各种无源或有源元件。
开关单元40可以与第三电容器30并联连接，并且可以在控制单元50的控制下导通和截止，以在参考点和中性点之间短路或断开。
开关单元40可以是例如反并联连接的晶闸管。
图4是本公开的一个实施例中的开关单元40的详细构造图。
如图所示，本公开的一个实施例的开关单元40可以配置有例如反并联连接的晶闸管Q1和Q2。也就是说，可以配置成使得晶闸管Q1的阳极连接到晶闸管Q2的阴极，并且晶闸管Q1的阴极连接到晶闸管Q2的阳极。
晶闸管是具有PNPN结的四层结构的半导体器件，并且被称为可控硅(cilicon-controlled)整流器件。当阳极相对于阴极为正极性时，晶闸管可以通过栅极电流导通。通过例示晶闸管来描述本公开中的开关单元40的配置，但是本公开的开关单元40的配置不限于图4的示例，并且其可以配置有能够实现本公开的特征的各种开关元件。
控制单元50可以接收中性点B的电压和参考点A的电压作为输入，以控制开关单元40。特别地，当开关单元40为如图4所示那样配置时，当中性点B的电压大于参考点A的电压时，控制单元50可以施加用于导通晶闸管Q2的栅极电流，而当参考点A的电压大于中性点B的电压时，控制单元50可以施加用于导通晶闸管Q1的栅极电流。
图5是本公开的一个实施例中的控制单元50的详细构造图。
如图所示，本公开的一个实施例的控制单元50可以包括差分放大单元51、电压不平衡检测单元52和电流施加单元53。
差分放大单元51可以放大第三电容器30的两端之间的差，即，参考点A的电压和中性点B的电压之间的差。差分放大单元51被配置为包括运算放大器(OP AMP)，并且该运算放大器被提供以针对由于噪声导致的误操作。
差分放大单元51的放大率可以由设计者设置，并且其可以根据在电路处流动的电流的量或者施加到电路的电压的大小、晶闸管Q1和Q2的特性以及第三电容器30的特性而进行设置。
电压不平衡检测单元52可以验证差分放大单元51的输出电压是否处于正参考值+REF和负参考值-REF的范围内。也就是说，两个比较器U1和U2被包括，使得当输出电压处于正参考值+REF和负参考值-REF的范围之外时，电压不平衡检测单元52的输出可以被施加到电流施加单元53。
电压不平衡检测单元52的正参考值+REF和负参考值-REF可以由设计者设置，并且它们可以根据在电路处流动的电流的量或者施加到电路的电压的大小、晶闸管Q1和Q2的特性以及第三电容器30的特性而进行设置。
电流施加单元53可以是具有连接到比较器U1和U2中的每一个的输出的基极的PNP晶体管，并且具体地，是PNP双极结型晶体管(BJT)。晶体管Q3和Q4可以连接到分别被提供用于电流限制的电阻器R3和R4。本公开不限于此，并且除了PNP BJT之外，还可以使用各种开关元件。
电压不平衡检测单元52的输出可以施加到电流施加单元53的PNP晶体管Q3或Q4的基极，以导通或截止晶体管Q3或Q4，使得开关单元40的晶闸管Q1或Q2可以被控制。
在本公开中，施加到电流施加单元53的晶体管Q3和Q4的电压被示例为15V，但是其不限于此，并且可以根据电路的配置施加各种大小的电压。
此外，本公开的控制单元50的描述根据其中开关单元40配置有晶闸管的示例来进行。因此，当开关单元40配置有其他元件时，可以改变配置是显而易见的。也就是说，当中性点的电压和参考点的电压彼此不同时，可以实现能够控制中性点和参考点被短路的各种配置。
在下文中，将参照附图描述图2至图5所示的本公开的平衡装置的操作。
图6至图8分别是用于描述本公开的平衡装置的操作的一个示例图。
特别地，图6示出了当中性点的电压和参考点的电压彼此大致相同时电路的配置，图7示出了当中性点的电压小于参考点的电压时电路的配置，并且图8示出了当中性点的电压大于参考点的电压时电路的配置。
参考图6，当中性点的电压和参考点的电压彼此大致相同时，差分放大单元51的输出为0，并且电压不平衡检测单元52中的比较器U1和U2中的每个比较器的输出处于高(HIGH)状态，使得晶体管Q3和Q4保持在截止状态。
在这种情况下，开关单元40的晶闸管Q1和Q2不导通，使得在中性点和参考点之间保持断开(OPEN)状态。
参考图7，当参考点的电压大于中性点的电压时，差分放大单元51的输出电压变为正值，并且正值被施加到电压不平衡检测单元52的比较器U1以超过正参考值+REF，使得比较器U1的输出变为低(LOW)状态，以导通晶体管Q3。通过这种处理，电流被施加到开关单元40的晶闸管Q1的栅极，因此晶闸管Q1导通，使得在参考点和中性点之间形成短路(SHORT)状态。在这一点上，电压不平衡检测单元52的比较器U2的输出仍然保持在高状态，使得晶闸管Q2不导通。
通过一系列过程，电流沿着第一电阻器R1、参考点A、中性点B和第二电容器C2的路径流动，使得电压可以在第二电容器C2处充电。通过这样的处理，当第一电容器C1的电压与第二电容器C2的电压相同时，其被切换到正常状态，因此晶闸管Q1不导通，使得在参考点A和中性点B之间可以形成断开状态，如图6所示。
参考图8，当中性点的电压大于参考点的电压时，差分放大单元51的输出电压变为负值，并且负值被施加到电压不平衡检测单元52的比较器U2以超过负参考值-REF，使得比较器U2的输出变为低状态，以导通晶体管Q4。
通过这种处理，电流被施加到开关单元40的晶闸管Q2的栅极，因此晶闸管Q2导通，使得在参考点和中性点之间形成短路状态。在这一点上，电压不平衡检测单元52的比较器U1的输出仍然保持在高状态，使得晶闸管Q1不导通。
通过一系列过程，电流沿着第二电阻器R2、中性点B、参考点A和第二电阻器R2的路径流动，使得第二电容器C2的电压可以被放电。通过这样的处理，当第一电容器C1的电压与第二电容器C2的电压相同时，其切换到正常状态，因此晶闸管Q1不导通，使得可以在参考点A和中性点B之间形成断开状态，如图6所示。
如上所述，本公开能够在逆变器的平滑单元3处不使用分压电阻器的情况下维持平滑单元3的电容器的电压之间的平衡，使得逆变器的尺寸减小，并且逆变器制造成本可以减少。
此外，设计者可以使用电压不平衡检测单元的参考值+REF和-REF来设置中性点和参考点之间的电压差，其确定本公开的平衡装置的操作，使得各种电路可以按照设计者的意图来设计。
此外，根据本公开，电压不平衡被设计为通过硬件来解决，使得当在平滑单元3处发生电压不平衡时在没有根据软件处理而造成时间延迟的情况下平滑单元3的电容器的两端处的电压可以被调整为平衡。
已经参考附图中所示的实施例描述了本公开，但是本公开仅仅是说明性的，并且应当理解，本领域技术人员可以设计出许多其它修改和等同的其他实施例。因此，本发明的技术范围应由所附权利要求限定。
附图标记说明
30：电压测量电容器 40：开关单元
50：控制单元 51：差分放大单元
52：电压不平衡检测单元 53：电流施加单元

Claims (5)

1.一种用于平衡施加到逆变器系统中的第一电容器和第二电容器的电压的装置，所述逆变器系统包括以彼此等效串联连接的第一电容器和第二电容器而配置的平滑单元，所述装置包括：
彼此串联连接的第一电阻器和第二电阻器，其中第一电阻器和第二电阻器的串联连接与所述平滑单元并联连接；
开关单元，其连接到在所述第一电阻器和所述第二电阻器之间的节点(参考点)和在所述第一电容器和所述第二电容器之间的节点(中性点)，并且被配置为在所述参考点和所述中性点之间短路和断开；
控制单元，其被配置为当所述参考点的电压(参考点电压)和所述中性点的电压(中性点电压)彼此不同时，控制所述开关单元在所述参考点和所述中性点之间短路；以及
电压测量元件，其连接在所述参考点和所述中性点之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述开关单元包括第一和第二反并联连接的晶闸管。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述控制单元包括：
放大单元，其被配置为放大在所述参考点电压和所述中性点电压之间的差；
检测单元，其被配置为检测所述放大单元的输出电压超过处于预定范围中的第一参考和第二参考；以及
施加单元，其被配置为根据所述检测单元的输出而施加控制所述开关单元的电流。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述检测单元包括：
第一比较器，其被配置为当所述放大单元的输出电压大于所述第一参考时，使得所述施加单元能够将电流施加到所述开关单元；以及
第二比较器，其被配置为当所述放大单元的输出电压小于所述第二参考时，使得所述施加单元能够将所述电流施加到所述开关单元。
5.根据权利要求1所述的装置，所述第一和第二电阻器的电阻值大致彼此相同。
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