CN107612323B - 电压平衡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电压平衡电路，包括：多个钳位子单元与多个辅助子单元；其中，所述多个钳位子单元依次串行电连接；所述多个辅助子单元依次串行电连接；每个所述辅助子单元分别对应电连接所述多个钳位子单元中相邻两个钳位子单元。本发明通过在串联开关管中每个开关管两端并联电阻，使得处于静态时保证每个开关管两端电压基本一致；通过钳位电容与辅助二极管，在动态时保证每个开关管两端电压基本一致，结构简单，控制策略简单。

Description

电压平衡电路
技术领域
本发明属电子技术领域，特别涉及一种电压平衡电路。
背景技术
目前，在应用于电力电子领域的中等电压功率转换器中，单个开关管无法满足电压要求，必须用多个开关管串联使用。
串联开关管结构中亟待解决的问题是怎么平衡各个串联开关管之间的电压，特别是防止某个开关管承受的漏源电压大于其额定电压从而发生击穿损毁。串联开关管中各开关管不可避免的存在材料和器件特性上的差异，而各栅极驱动电路结构也不会完全对称。如果直接将多个开关管串联而不采用任何辅助均压措施，很容易造成器件的过压损坏。
为此需要采用适当的辅助电路以平衡各个开关管之间的漏源电压。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电压平衡电路，包括：多个钳位子单元与多个辅助子单元；其中，
所述多个钳位子单元依次串行电连接；
所述多个辅助子单元依次串行电连接；
每个所述辅助子单元分别对应电连接所述多个钳位子单元中相邻两个钳位子单元；
在本发明的一个实施例中，所述辅助子单元包括：辅助电感(La)与辅助二极管(Da)；其中，
所述辅助电感(La)与所述辅助二极管(Da)串联；
所述辅助电感(La)的第一端电连接所述相邻两个钳位子单元的一个钳位子单元中的钳位二极管(D)与钳位电容串接形成的节点，所述辅助电感(La)的第二端电连接所述辅助二级管(Dan)的阳极，所述辅助二级管(Da)的阴极电连接至所述相邻两个钳位子单元的另一个钳位子单元中的钳位二极管(D)与钳位电容串接形成的节点。
在本发明的一个实施例中，所述钳位子单元包括：钳位开关管(M)、钳位电阻(R)、钳位二极管(D)及钳位电容(C)；其中，
所述钳位电阻(R)与所述钳位开关管(M)并联；
所述钳位二极管(D)与所述钳位电容(C)串联后与所述钳位开关管(M)并联；相邻两个钳位子单元的一个钳位子单元中的钳位开关管(M)的源极连接另一个钳位子单元中的钳位开关管(M)的漏极；。
在本发明的一个实施例中，所述钳位电阻(R)的电阻值为100～200kΩ。
在本发明的一个实施例中，所述钳位开关管(M)为N沟道MOSFET。
在本发明的一个实施例中，所述电容(C)的容值为1～5μF。
在本发明的另一个实施例中，所述电压平衡电路还包括能量回收电路，所述能量回收电路电连接所述多个钳位子单元的第一钳位子单元；其中，所述第一钳位子单元包括第一钳位电容(C1)。
在本发明的另一个实施例中，所述能量回收电路包括：第一能量回收开关管(Mf1)、第二能量回收开关管(Mf2)、第一能量回收二极管(Df1)、第二能量回收二极管(Df2)、第三能量回收二极管(Df3)、变压器(T)、能量回收电容(Cbus)及直流电压源(VE)；其中，
所述第一能量回收二极管(Df1)与所述第一能量回收开关管(Mf1)串联后与所述第一钳位电容(C1)并联；其中，所述第一能量回收二极管(Df1)的阳极电连接所述第一钳位电容(C1)的第一端，所述第一能量回收开关管(Mf1)的漏极电连接所述第一钳位电容(C1)的第二端；
所述第二能量回收开关管(Mf2)与所述第二能量回收二极管(Df2)串联后与所述第一钳位电容(C1)并联；其中，所述第二能量回收开关管(Mf2)的源极电连接所述第一钳位电容(C1)的第一端，所述第二能量回收二极管(Df2)的阴极电连接所述所述第一钳位电容(C1)的第二端；
所述变压器(T)的第一输入端电连接至所述第一能量回收二极管(Df1)与所述第一能量回收开关管(Mf1)串联形成的节点处，所述变压器(T)的第二输入端电连接至所述第二能量回收开关管(Mf2)与所述第二能量回收二极管(Df2)串联形成的节点处，所述变压器(T)的第一输出端电连接所述第三能量回收二极管(Df3)的阳极，所述变压器(T)的第二输出端分别电连接所述能量回收电容(Cbus)的第二端和所述直流电压源(VE)的负极；所述第三能量回收二极管(Df3)的阴极电连接所述能量回收电容(Cbus)的第一端和所述直流电压源(VE)的正极；所述能量回收电容(Cbus)的第一端和第二端分别电连接所述直流电压源(VE)的正极与负极。
在本发明的另一个实施例中，所述第一能量回收开关管(Mf1)与所述第二能量回收开关管(Mf2)均为N沟道MOSFET。
在本发明的另一个实施例中，所述变压器(T)为反激式变压器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过在串联开关管中每个开关管两端并联电阻，使得处于静态时保证每个开关管两端电压基本一致；通过钳位电容与辅助二极管，在动态时保证每个开关管两端电压基本一致，结构简单，控制策略简单。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种电压平衡电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种辅助子单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种钳位子单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种电压平衡电路的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种电压平衡电路；
图6为本发明实施例提供的再一种电压平衡电路
图7为本发明实施例提供的一种3个钳位开关管的电压平衡电路结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种钳位开关管在开关过程中的等效电路图；
图9为本发明实施例提供的一种能量回收电路工作时的等效电路图；
图10为本发明实施例提供的一种能量回收电路工作波形图；
图11为本发明实施例提供的一种钳位开关管的漏源电压曲线示意图。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种电压平衡电路的结构示意图。该电压平衡电路包括：多个钳位子单元与多个辅助子单元；其中，
所述多个钳位子单元依次串行电连接；
所述多个辅助子单元依次串行电连接；
每个所述辅助子单元分别对应电连接所述多个钳位子单元中相邻两个钳位子单元。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种辅助子单元的结构示意图，所述辅助子单元包括：辅助电感(La)与辅助二极管(Da)；其中，
所述辅助电感(La)与所述辅助二极管(Da)串联；
所述辅助电感(La)的第一端电连接所述相邻两个钳位子单元的一个钳位子单元中的钳位二极管(D)与钳位电容串接形成的节点，所述辅助电感(La)的第二端电连接所述辅助二级管(Dan)的阳极，所述辅助二级管(Da)的阴极电连接至所述相邻两个钳位子单元的另一个钳位子单元中的钳位二极管(D)与钳位电容串接形成的节点。
进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种钳位子单元的结构示意图，所述钳位子单元包括：钳位开关管(M)、钳位电阻(R)、钳位二极管(D)及钳位电容(C)；其中，
所述钳位电阻(R)与所述钳位开关管(M)并联；
所述钳位二极管(D)与所述钳位电容(C)串联后与所述钳位开关管(M)并联，所述钳位二极管与所述钳位电容串接形成的节点分别对应电连接相邻两个所述辅助子单元；相邻两个钳位子单元的一个钳位子单元中的钳位开关管(M)的源极连接另一个钳位子单元中的钳位开关管(M)的漏极。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述钳位电阻(R)的电阻值为100～200kΩ，按所述钳位开关管(M)关断时的等效电阻值的1/10左右选取。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述钳位开关管(M)为N沟道MOSFET。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述电容(C)的容值为1～5μF，远大于所述钳位开关管(M)的等效输出电容容值，该等效输出电容容值为200pF～500pF。
进一步地，请参见图4，图4为本发明实施例提供的另一种电压平衡电路的结构示意图。该电压平衡电路是对图1所述的电压平衡电路的具体结构进行的进一步说明，相关结构及连接关系在上述实施例中都进行了对应的描述，此处不再赘述。
本实施例与现有技术相比，有如下有益效果：
1、通过在串联开关管中的每个开关管两端并联电阻，使得处于静态时保证每个开关管两端电压基本一致；通过钳位电容与辅助二极管，在动态时保证每个开关管两端电压基本一致；
2、本实施例在串联开关管开关速度变化不大的基础上，降低了串联开关管动静态压电路的复杂性；
4、由于在开关管开启时，钳位电容不会完全放电，损耗相对较小；
5、该电路控制策略相对简单，能够降低成本，提高可靠性。
实施例二
请参见图5，图5为本发明实施例提供的又一种电压平衡电路，该电路在实施例一提供的电压平衡电路的基础上还包括能量回收电路，所述能量回收电路电连接所述多个钳位子单元的第一钳位子单元；其中，所述所述第一钳位子单元包括第一钳位电容C1。
进一步地，在上述实施例的基础上，进一步地，请参见图6，图6为本发明实施例提供的再一种电压平衡电路，该电压平衡电路是在上述实施例的基础上对图5的具体机构进行说明，其中，所述能量回收电路包括第一能量回收开关管Mf1、第二能量回收开关管Mf2、第一能量回收二极管Df1、第二能量回收二极管Df2、第三能量回收二极管Df3、变压器T、能量回收电容Cbus及直流电压源VE；其中，
所述第一能量回收二极管Df1与所述第一能量回收开关管Mf1串联后与所述第一钳位电容C1并联；其中，所述第一能量回收二极管Df1的阳极电连接所述第一钳位电容C1的第一端，所述第一能量回收开关管Mf1的漏极电连接所述第一钳位电容C1的第二端；
所述第二能量回收开关管Mf2与所述第二能量回收二极管Df2串联后与所述第一钳位电容C1并联；其中，所述第二能量回收开关管Mf2的源极电连接所述第一钳位电容C1的第一端，所述第二能量回收二极管Df2的阴极电连接所述第一钳位电容C1的第二端；
所述变压器T的第一输入端电连接至所述第一能量回收二极管Df1与所述第一能量回收开关管Mf1串联形成的节点处，所述变压器T的第二输入端电连接至所述第二能量回收开关管Mf2与所述第二能量回收二极管Df2串联形成的节点处，所述变压器T的第一输出端电连接所述第三能量回收二极管Df3的阳极，所述变压器T的第二输出端分别电连接所述能量回收电容Cbus的第一端和所述直流电压源VE的负极；所述第三能量回收二极管Df3的阴极电连接所述能量回收电容Cbus的第二端和所述直流电压源VE的正极；所述能量回收电容Cbus的第一端和第二端分别电连接所述直流电压源VE的正极与负极。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述第一能量回收开关管Mf1与所述第二能量回收开关管Mf2均为N沟道MOSFET。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述变压器T为反激式变压器。
本实施例提供的另一种电压平衡电路，在实施例一的基础上增加了能量回收电路，将钳位能量进行回收，极大地减小了损耗。
实施例三
本实施例是在实施例一及实施例二的基础上对本发明的原理及实现方式作进一步的说明。
以钳位子单元包括第1钳位子单元、第2钳位子单元及第3钳位子单元、辅助子单元包括第1辅助子单元、第2辅助子单元为例进行说明。请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种3个钳位开关管的电压平衡电路结构示意图。该电压平衡电路包括第一钳位开关管M1、第二钳位开关管M2及第三钳位开关管M3、第一钳位电阻R1、第二钳位电阻R2及第三钳位电阻R3、第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2及第三钳位二极管D3、第一钳位电容C1、第二钳位电容C2及第三钳位电容C3、第一辅助二极管Da1与第二辅助二极管Da2、第一辅助电感La1与第二辅助电感La2、第一能量回收开关管Mf1与第二能量回收开关管Mf2、第一能量回收二极管Df1、第二能量回收二极管Df2及第三能量回收二极管Df3、反激式电路变压器T、直流电压源VE、能量回收电容Cbus构成。其中，由第一辅助二极管Da1与第一辅助电感La1、第二辅助二极管Da2与第二辅助电感与La2分别构成第一辅助子单元、第二辅助子单元，主要作用为均衡第一钳位电容C1、第二钳位电容C2及第三钳位电容C3的电压。其中，以第二钳位开关管为例，当第二钳位开关管M2开启时，如果第三钳位电容C3的电压大于第二钳位电容C2的电压，则第二辅助二极管Da2将打开，第三钳位电容C3通过第二辅助二极管Da2及第二辅助电感La2(第二辅助电感La2起限流作用)向第二钳位电容C2充电，使第三钳位电容C3电压下降、第二钳位电容C2电压上升。如果第三钳位电容C3的电压小于第二钳位电容C2的电压，则第二辅助二极管Da2关闭，第三钳位电容C3无法向第二钳位电容C2充电。
在第一钳位开关管M1、第二钳位开关管M2及第三钳位开关管M3处于静态(即钳位开关管处于关断状态时)，通过第一钳位电阻R1、第二钳位电阻R2及第三钳位电阻R3调节第一钳位开关管M1、第二钳位开关管M2及第三钳位开关管M3静态时的电压均衡。
在第一钳位开关管M1、第二钳位开关管M2及第三钳位开关管M3处于动态(即钳位开关管处于开关过程中时)，以第二钳位开关管为例，其处于动态时的等效电路图如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种钳位开关管在开关过程中的等效电路图。在钳位开关管开关过程中无论何种原因引起第二钳位开关管M2上的电压超过第二钳位电容C2电压时，钳位二极管D2将打开。由于第二钳位电容容值远大于第二钳位开关管等效输出电容，第二钳位开关管M2的电压将被钳位在第二钳位电容电压，防止第二钳位开关管过压击穿。因此只要控制住第二钳位电容电压，就能控制住第二钳位开关管M2的漏源电压。因此，由于辅助子单元的存在，第一钳位电容C1、第二钳位电容C2、第三钳位电容C3的电压满足一下关系：
VC1≥VC2≥VC3
电压平衡电路的均压效果取决于第一钳位电容C1的电压。只要控制住第一钳位电容C1的电压，就能间接控制住其他钳位电容的电压，保证所有钳位开关管的动态均压效果。
能量回收电路是为了控制第一钳位电容C1的电压，并将多余的能量传递回母线电压源再利用。请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种能量回收电路工作时的等效电路图，本发明中能量回收电路采用双管反激式DC/DC电路，包括第一能量回收开关管Mf1与第二能量回收开关管Mf2，变压器T为反激式变压器，第一能量回收二极管Df1与第二能量回收Df2可以在反激式电路关断时给第一能量回收开关管Mf1和Mf2提供保护，第三能量回收二极管Df3起单向导电的作用，用于保护直流电压源VE，能量回收电容Cbus并联在直流电压源VE两端起滤波作用。
请参见图10，图10为本发明实施例提供的一种能量回收电路工作波形图，第一能量回收开关管Mf1与第二能量回收开关管Mf2的控制端接pulse脉冲，在检测到第一钳位电容C1电压大于预定的参考电压时，第一能量回收开关管Mf1与第二能量回收开关管Mf2将开启，pulse脉冲变高，开启时间为固定脉冲tpulse，第一钳位电容C1将向能量回收电路放电，第一钳位电容C1电压从V0开始下降，变压器T初级线圈电流iL1上升。随后第一能量回收开关管Mf1与第二能量回收开关管Mf2关闭，第一钳位电容C1电压下降到V1，变压器T次级线圈产生电流iL2，能量反激回直流电压源VE。而第一能量回收二极管Df1和第二能量回收二极管Df2可以在反激式电路关断时保护第一能量回收开关管Mf1与第二能量回收开关管Mf2，防止过压击穿。第一能量回收开关管Mf1与第二能量回收开关管Mf2关闭直到检测到下一次第一钳位电容C1过压发生。
通过这种方法，能量回收电路可以控制第一钳位电容C1的电压，间接控制第二钳位电容C2、第三钳位电容C3的电压，从而保证串联的第一钳位开关管M1、第二钳位开关管M2及第三钳位开关管M3动态均压的效果，请参见图11，图11为本发明实施例提供的一种钳位开关管的漏源电压曲线示意图，从图中可以看出，第一钳位开关管M1、第二钳位开关管M2及第三钳位开关管M3的漏源电压Vds基本一致。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明的结构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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

Claims (8)

1.一种电压平衡电路，其特征在于，包括：多个钳位子单元与多个辅助子单元；其中，
所述多个钳位子单元依次串行电连接；
所述多个辅助子单元依次串行电连接；
每个所述辅助子单元分别对应电连接所述多个钳位子单元中相邻两个钳位子单元；
所述辅助子单元包括：辅助电感(La)与辅助二极管(Da)，所述钳位子单元包括：钳位开关管(M)、钳位电阻(R)、钳位二极管(D)及钳位电容(C)；
所述钳位电阻(R)与所述钳位开关管(M)并联；
所述钳位二极管(D)与所述钳位电容(C)串联后与所述钳位开关管(M)并联；
相邻两个钳位子单元的一个钳位子单元中的钳位开关管(M)的源极连接另一个钳位子单元中的钳位开关管(M)的漏极；
所述辅助电感(La)与所述辅助二极管(Da)串联；
所述辅助电感(La)的第一端电连接所述相邻两个钳位子单元的一个钳位子单元中的钳位二极管(D)与钳位电容串接形成的节点，所述辅助电感(La)的第二端电连接所述辅助二级管(Dan)的阳极，所述辅助二级管(Da)的阴极电连接至所述相邻两个钳位子单元的另一个钳位子单元中的钳位二极管(D)与钳位电容串接形成的节点。
2.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，所述钳位电阻(R)的电阻值为100～200kΩ。
3.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，所述钳位开关管(M)为N沟道MOSFET。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电容(C)的容值为1～5μF。
5.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，还包括能量回收电路，所述能量回收电路电连接所述多个钳位子单元的第一钳位子单元；其中，所述第一钳位子单元包括第一钳位电容(C1)。
6.根据权利要求5所述的电压平衡电路，其特征在于，所述能量回收电路包括：第一能量回收开关管(Mf1)、第二能量回收开关管(Mf2)、第一能量回收二极管(Df1)、第二能量回收二极管(Df2)、第三能量回收二极管(Df3)、变压器(T)、能量回收电容(Cbus)及直流电压源(VE)；其中，
所述第一能量回收二极管(Df1)与所述第一能量回收开关管(Mf1)串联后与所述第一钳位电容(C1)并联；其中，所述第一能量回收二极管(Df1)的阳极电连接所述第一钳位电容(C1)的第一端，所述第一能量回收开关管(Mf1)的漏极电连接所述第一钳位电容(C1)的第二端；
所述第二能量回收开关管(Mf2)与所述第二能量回收二极管(Df2)串联后与所述第一钳位电容(C1)并联；其中，所述第二能量回收开关管(Mf2)的源极电连接所述第一钳位电容(C1)的第一端，所述第二能量回收二极管(Df2)的阴极电连接所述所述第一钳位电容(C1)的第二端；
所述变压器(T)的第一输入端电连接至所述第一能量回收二极管(Df1)与所述第一能量回收开关管(Mf1)串联形成的节点处，所述变压器(T)的第二输入端电连接至所述第二能量回收开关管(Mf2)与所述第二能量回收二极管(Df2)串联形成的节点处，所述变压器(T)的第一输出端电连接所述第三能量回收二极管(Df3)的阳极，所述变压器(T)的第二输出端分别电连接所述能量回收电容(Cbus)的第二端和所述直流电压源(VE)的负极；所述第三能量回收二极管(Df3)的阴极电连接所述能量回收电容(Cbus)的第一端和所述直流电压源(VE)的正极；所述能量回收电容(Cbus)的第一端和第二端分别电连接所述直流电压源(VE)的正极与负极。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第一能量回收开关管(Mf1)与所述第二能量回收开关管(Mf2)均为N沟道MOSFET。
8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述变压器(T)为反激式变压器。
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