CN108377093B - 一种防止单相光伏逆变拓扑功率管过压击穿的acrcd钳位电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种防止单相光伏逆变拓扑功率管过压击穿的ACRCD钳位电路，应用于目前主流的单相光伏逆变器逆变拓扑中,将RCD钳位电路与有源钳位电路相结合,在功率管的CE极两端分别增加RCD钳位电路，C极增加RCD钳位至Vbus+，E极增加RCD钳位至Vbus‑，C,E，G极之间加入有源钳位电路,使得管子具备两级钳位保护,相对于传统的RC或者RCD吸收电路能够承受更多的尖峰能量且该钳位电路功耗小，大大提高了整个拓扑电路的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子应用领域，涉及一种防止单相光伏逆变拓扑功率管过压击穿的ACRCD钳位电路，尤其适用于单相光伏逆变器主流拓扑。
背景技术
当逆变输出过流时，会触发硬件过流保护电路去封锁PWM，但是由于过流保护信号一般具有延时，逆变拓扑中的管子会在比较大的短路电流下关断，管子两端会产生电压尖峰，根据（/>为管子漏极与主回路的漏感），出于管子损耗考虑，关断速度都不会很慢，所以整个漏感上产生的尖峰电压将会非常高，比较容易超过管子最大耐压。
专利CN205160361U公开了一种吸收电路，用于吸收开关管关断时两端产生的电压尖峰，该技术具有以下缺点：1）该技术仅针对于普通的2管桥式电路，对于目前单相光伏逆变器主流的拓扑，H5，H6，H5.6，H6.5等，无法起到明显的钳位作用；2）该技术加入开关S1的控制，需要结合一定的时序以及被保护功率管的工作区域而定，额外大大增加了系统的复杂性，同时软体判断时序的速度未必能跟得上管子电流尖峰的产生速度，尤其在管子突然跨越工作区域变化时产生大电流尖峰（例如过流触发硬件过流保护要封锁管子驱动的时候），故该电路会存在一定的失效性。
图1所示为当前单相光伏逆变器主流拓扑H5.6，图1中为实际应用中管子与PCB板回路走线真实存在的漏感，为了进一步简化分析，我们把回路影响的漏感缩减如图2所示。如图2，在t1时刻，电流的正半周期，Q1,Q3,Q4同时导通，Q5与Q4的驱动互补，此时Q5处于关断状态。逆变电流如虚线方向，此时逆变电流达到最大值，漏感/>的电压方向如图所示，电感L1，L2的电压方向如图所示。当在t1时刻，极端情况下，L1,L2输出端短路，此时逆变电流突变变大直到触发硬件过流保护，管子Q1~Q5的驱动全部封锁，此时根据电感电流不能突变的原理，所有漏感的电压极性将会翻转来维持原来电流的方向，逆变电感电流将会按照图3虚线电流方向完成续流。漏感/>突变电压将会变成/>，其中/>为管子与PCB板回路走线真实存在的漏感，与管子的布局和PCB的走线回路有关，/>为关断瞬间管子流过的最大电流，由于硬件过流保护电路具有一定的延时时间，所以/>将会比设计值大比较多。/>为管子关断速度，如图3中漏感/>对管子Q3,Q4承受的电压影响最大。当Q1,Q3,Q4被关断瞬间，逆变电感L1,L2极性翻转，那么A,B两点电压/>,A点通过Q2的体二极管将会叠加在O点上，所以Q3承受的电压为：/>（其中，，/>），Q4上承受的电压为：/>（/>，）。可见减少漏感和/>或减慢管子关断速度可以减小Q3,Q4承受的电压。然而，漏感大小受走线、布局等因素影响，由于布局需要考虑散热，所以漏感注定不会太小，尤其功率越大，管子之间需要拉得更开，从而导致漏感将会更大；把管子关断速度减慢，加大/>，这样会牺牲一定的效率，同时管子损耗也加大，而且需要把关断速度减慢得非常大才有明显效果；另外一种方法是把逆变电感做大，限制在相同时间内/>的大小，但是这种方法会使得成本增加以及浪费。
目前传统的做法是在管子两端增加RC吸收电路或者RCD吸收电路，但是这两种方法会导致常态下也动作，损耗也不少。由于光伏逆变器等产品一般管子耐压用得都比较足，例如650V的功率管，最大工作母线电压会用到550V~600V。对于这种情况，一般的RC或者RCD吸收根本非常难把尖峰电压钳位住，加之无论RC或者RCD以任何形式存在，都无法把全部尖峰电压钳位住。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种防止单相光伏逆变拓扑功率管过压击穿的ACRCD钳位电路。
本发明的技术方案是：一种防止单相光伏逆变拓扑功率管过压击穿的ACRCD钳位电路，所述ACRCD钳位电路包括ACRCD电路A和/或ACRCD电路B,所述ACRCD电路A是一种RCD钳位电路，所述ACRCD电路B是一种有源钳位电路，所述RCD钳位电路包括电阻R1、电容C1、二极管D1、电阻R2、电容C2、二极管D2；电阻R1和电容C1并联且一端连接二极管D1的负电极端，二极管D1的正电极端连接功率管的C极，电阻R2和电容C2并联且一端连接二极管D2的负电极端，一端连接功率管的E极；所述有源钳位电路包括二极管d1、TVS管TVS1、稳压二极管ZD1、稳压二极管VD2,二极管D1和TVS管TVS1串联并电性连接于功率管的C极与G极之间，稳压二极管ZD1和稳压二极管VD2串联并电性连接于功率管的E极与G极之间。
进一步地，所述电阻C1和电容C1的另一端连接正母线，所述二极管D2的正电极端连接负母线。
进一步地，所述TVS管TVS1的负极连接功率管的C极，正极连接二极管d1的正极，二极管d1的负极连接功率管的G极，所述稳压二极管ZD1的正极连接功率管的G极，负极连接稳压二极管ZD2的负极，稳压二极管ZD2的正极连接功率管的E极。
进一步地，所述单相光伏逆变拓扑是H5.6拓扑。
进一步地，所述单相光伏逆变拓扑是H6拓扑。
进一步地，所述单相光伏逆变拓扑是H4拓扑。
进一步地，所述单相光伏逆变拓扑的所有功率管上均设置所述ACRCD电路A和/或ACRCD电路B。
进一步地，所述单相光伏逆变拓扑的部分功率管上设置所述ACRCD电路A和/或ACRCD电路B。
下面结合图4和图5说明本发明的工作原理，图4是单相光伏H5.6逆变拓扑中设置ACRCD电路A的示意图，所述ACRCD电路A是一种RCD钳位电路，管子Q4上的C极以及E极的R1，R2，C1，C2，D1，D2组成RCD钳位电路，其中C极上的R1，C1，D1直接把C极钳位到Vbus+，E极上的R2，C2，D2直接把E极钳位到Vbus-，电路正常工作下是不会动作的，R1确保了主回路续流会通过D5而不会通过D1，D1,D2为超快速恢复二极管。当输出短路使得Q4在大电流尖峰情况下关断时，漏感极性翻转使得C极电压上升，E极电压变为负，有了该钳位电路之后，漏感在C极产生的尖峰电压会通过C1，D1迅速回馈到Vbus+，漏感/>在C极产生的尖峰电压会通过C2，D2迅速回馈到Vbus-，只有极小损耗消耗在电阻R1,R2上。同理于其它管子。因此，该方案的RCD钳位损耗非常低，正常工作情况下不触发电路工作。
图5是单相光伏H5.6逆变拓扑中设置ACRCD电路B的示意图, ACRCD电路B是一种有源钳位电路，在管子Q2~Q5中增加快恢复二极管d1~d4，TVS管TVS1~TVS4,稳压二极管ZD1~ZD8作为有源钳位电路，钳位的电压有TVS管决定。当管子在处于关断时，驱动电压在减少，管子CE两端的电压足够击穿TVS管的时候，在功率管的驱动上将会再施加钳位回路带来的能量，令管子驱动电压抬升，管子将会再次导通，漏感停止突变，CE两端的电压有效被钳位再TVS管的击穿电压附近。
把图4，图5结合起来就形成了整个电路的ACRCD钳位电路，两种电路结合的方式能够真正把管子最高尖峰电压控制在管子最大耐压范围内，而且正常运行时几乎无损耗，正常情况下的输出短路，ACRCD钳位电路的RCD部分就能把电压钳位住，在比较接近管子最高耐压的电压端工作时短路，ACRCD钳位电路的RCD电路与有源钳位电路共同起作用。该电路的另外一个特点就是能够承受多次连续的过流保护动作，如果换成普通的RCD或者RC吸收，当过流保护动作出现连续几次后由于RC或者RCD电容上的能量释放不掉，钳位电路几乎失效。
图5中的有源钳位电路图示是在4个管子都增加了，但是实际应用中，出于布局考虑我们总能降低图示~/>的其中一段漏感，所以根据不同的电路布局无需全部管子加上有源钳位电路。
本发明的方案为新形式的钳位电路与有源钳位电路相结合的ACRCD钳位电路，该专利电路能够使得管子具备两级钳位保护，应用于目前主流的单相光伏逆变器逆变拓扑中，其特点在于在功率管的CE极两端分别增加RCD钳位电路，C极增加RCD钳位至Vbus+，E极增加RCD钳位至Vbus-，C,E，G极之间加入有源钳位电路。
在大电流关断瞬间电路中的漏感产生的尖峰电压被有效回馈到母线上，当RCD电路钳位不住时将会自动启用有源钳位电路，使得管子具备两级钳位保护功能。有源钳位电路能够弥补RCD钳位不能多次重复钳位后保持相同的钳位电压的问题，而RCD钳位电路能够配合有源钳位电路使得该专利电路能够钳位比较大的尖峰能量。相对于传统的RC或者RCD吸收电路以及专利CN 205160361 U，该专利电路能够使得钳位电路的功耗降低，正常下不触发动作。
本专利电路采用无源器件，结构简单，成本低，无需额外逻辑控制，两级保护自动切入。本专利电路能够相对于相对于传统的RC或者RCD吸收电路以及专利CN 205160361 U，在承受多次，重复的过流保护动作仍然能够把管压降控制在设定范围附近，而且两级相结合的技术能够比以上承受更多的尖峰能量，大大提高了整个拓扑电路的可靠性。
附图说明
图1是单相光伏H5.6逆变拓扑电路结构示意图。
图2是单相光伏H5.6逆变拓扑电路简化分析图。
图3是单相光伏H5.6逆变拓扑输出短路触发过流保护的示意图。
图4是单相光伏H5.6逆变拓扑中设置ACRCD电路A的示意图。
图5是单相光伏H5.6逆变拓扑中设置ACRCD电路B的示意图。
图6是单相光伏H6逆变拓扑电路结构示意图。
图7是单相光伏H6逆变拓扑中设置ACRCD电路A的示意图。
图8是单相光伏H6逆变拓扑中设置ACRCD电路B的示意图。
图9是单相光伏H6.5逆变拓扑电路结构示意图。
图10是单相光伏H6.5逆变拓扑中设置ACRCD电路A的示意图。
图11是单相光伏H6.5逆变拓扑中设置ACRCD电路B的示意图。
图12是单相光伏H4逆变拓扑电路结构示意图。
图13是单相光伏H4逆变拓扑中设置ACRCD电路A和ACRCD电路A的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施。
实施例1。
一种防止单相光伏逆变拓扑功率管过压击穿的ACRCD钳位电路，其包含图4中展示的RCD钳位电路和图5中展示的有源钳位电路，在这里分开展示在图4和图5当中，以下把该电路组合统一称为ACRCD电路，RCD钳位电路标记为ACRCD电路A,有源钳位电路标记为ACRCD电路B,所述单相光伏逆变拓扑是H5.6拓扑结构，所述ACRCD钳位电路包括ACRCD电路A和/或ACRCD电路B,所述ACRCD电路A是一种RCD钳位电路，所述ACRCD电路B是一种有源钳位电路，所述RCD钳位电路包括电阻R1、电容C1、二极管D1、电阻R2、电容C2、二极管D2；电阻R1和电容C1并联且一端连接二极管D1的负电极端，二极管D1的正电极端连接功率管的C极，电阻R2和电容C2并联且一端连接二极管D2的负电极端，一端连接功率管的E极；所述有源钳位电路包括二极管d1、TVS管TVS1、稳压二极管ZD1、稳压二极管VD2,二极管D1和TVS管TVS1串联并电性连接于功率管的C极与G极之间，稳压二极管ZD1和稳压二极管VD2串联并电性连接于功率管的E极与G极之间。
进一步地，所述电阻C1和电容C1的另一端连接正母线，所述二极管D2的正电极端连接负母线。
进一步地，所述TVS管TVS1的负极连接功率管的C极，正极连接二极管d1的正极，二极管d1的负极连接功率管的G极，所述稳压二极管ZD1的正极连接功率管的G极，负极连接稳压二极管ZD2的负极，稳压二极管ZD2的正极连接功率管的E极。
图4中管子Q4上面的C极以及E极的R1，R2,C1,C2,D1,D2组成的RCD钳位电路，其中C极上的R1,C1,D1直接把C极钳位到Vbus+，E极上的R2,C2,D2直接把E极钳位到Vbus-，图5中，在管子Q2~Q5中增加快恢复二极管d1~d4，TVS管TVS1~TVS4,稳压二极管ZD1~ZD8作为有源钳位电路，钳位的电压有TVS管决定。当管子在处于关断时，驱动电压在减少，管子CE两端的电压足够击穿TVS管的时候，在功率管的驱动上将会再施加钳位回路带来的能量，令管子驱动电压抬升，管子将会再次导通，漏感停止突变，CE两端的电压有效被钳位再TVS管的击穿电压附近。
实施例2。
在如图6的H6逆变拓扑中，增加如图7中的ACRCD电路中的部分：Q4,Q5,Q7,Q8的C极分别增加RCD电路钳位至Vbus+，E极分别增加RCD电路钳位至Vbus-。图8中，在Q4,Q5,Q7,Q8的G，C,E极之间增加由快恢复二极管d1~d4，TVS管TVS1~TVS4,稳压二极管ZD1~ZD8作为有源钳位电路，钳位的电压有TVS管决定。图7，图8共同组合成了H6拓扑的ACRCD钳位电路。在本实施例2中，RCD钳位电路和有源钳位电路的结构与实施例1中相同。
实施例3。
在如图9的H6.5逆变拓扑中，增加如图10中的ACRCD电路中的部分：Q2,Q3,Q4,Q5的C极分别增加RCD电路钳位至Vbus+，E极分别增加RCD电路钳位至Vbus-。图11中，在Q2,Q3,Q4,Q5的G，C,E极之间增加由快恢复二极管d1~d4，TVS管TVS1~TVS4,稳压二极管ZD1~ZD8作为有源钳位电路，钳位的电压有TVS管决定。图10，图11共同组合成了H6.5拓扑的ACRCD钳位电路。在本实施例3中，RCD钳位电路和有源钳位电路的结构与实施例1中相同。
实施例4。
在如图12的H4逆变拓扑中，增加如图13中的ACRCD电路中的部分：在Q3,Q4的C极分别增加RCD电路钳位至Vbus+，在Q1,Q2,Q3,Q4的E极分别增加RCD电路钳位至Vbus-。图11中，在Q3,Q4的G，C,E极之间增加由快恢复二极管d1~d2，TVS管TVS1~TVS2,稳压二极管ZD1~ZD4作为有源钳位电路，钳位的电压有TVS管决定。在本实施例4中，RCD钳位电路和有源钳位电路的结构与实施例1中相同。
将本发明的ACRCD钳位电路应用在除了本实施案例的逆变拓扑外的拓扑中，也属于本专利范围。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (1)
1.一种防止单相光伏逆变拓扑功率管过压击穿的ACRCD钳位电路，其特征在于：单相光伏逆变拓扑是包含Q1-Q4的H4拓扑，Q1、Q3串联电路与Q2、Q4串联电路并联，Q1、Q2的C极连接于正母线，Q3、Q4的E极连接于负母线,Q1的E极和Q3的C极之间寄生有串联连接的电感LS1、LS3，Q2的E极和Q4的C极之间寄生有串联连接的电感LS2、LS4，Q3的E极与负母线之间寄生有电感LS5，Q4的E极与负母线之间寄生有电感LS6，钳位电路包括电阻R1、电容C1、二极管D1、电阻R2、电容C2、二极管D2，电阻R3、电容C3、二极管D7、电阻R4、电容C4、二极管D8、电阻R5、电容C5、二极管D5、电阻R6、电容C6、二极管D6；电阻R1和电容C1并联的一端连接二极管D1的负电极端，电阻R1和电容C1并联的另一端连接正母线，二极管D1的正电极端连接功率管Q3的C极，电阻R2和电容C2并联的一端连接二极管D2的负电极端，电阻R2和电容C2并联的另一端连接功率管Q3的E极，二极管D2的正电极端连接负母线；电阻R3和电容C3并联的一端连接二极管D7的负电极端，电阻R3和电容C3并联的另一端连接正母线，二极管D7的正电极端连接功率管Q4的C极，电阻R4和电容C4并联的一端连接二极管D8的负电极端，电阻R4和电容C4并联的另一端连接功率管Q4的E极，二极管D8的正电极端连接负母线，电阻R5和电容C5并联的一端连接二极管D5的负电极端，电阻R5和电容C5并联的另一端连接Q1的E端，二极管D1的正电极端连接负母线，电阻R6和电容C6并联的一端连接二极管D6的负电极端，电阻R6和电容C6并联的另一端连接功率管Q2的E极，二极管D6的正电极端连接负母线；有源钳位电路包括二极管d3、TVS管TVS1、稳压二极管ZD5、稳压二极管ZD6,二极管D4和TVS管TVS4、稳压二极管ZD7、稳压二极管ZD8，二极管d3、TVS管TVS1串联并电性连接于功率管Q3的C极与G极之间，稳压二极管ZD5和稳压二极管ZD6串联并电性连接于功率管Q3的E极与G极之间，二极管D4和TVS管TVS4串联并电性连接于功率管Q4的C极与G极之间，稳压二极管ZD7和稳压二极管ZD8串联并电性连接于功率管Q4的E极与G极之间。
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