CN110380608A - 一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路 - Google Patents

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Abstract

一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，以功率单元的电容器正极为电压输入端HVin，输出两路供电电源VOUT1和VOUT2。包括均压电阻、第一全控开关器件、整流二极管、第一电压采样电路、驱动电路、启动电路、启动电容、储能电容、第二电压采样电路、主控电路、功率变换电路和供电二极管。与功率模块上原有取能电源相互独立，当原有取能电源失效时，可以为功率单元的旁路接触器触发电路提供备用供电，以保障可靠执行接触器旁路动作。与均压电阻串联后，连接到功率单元电容器，降低了全控器件以及储能电容器的耐压等级，设计便利性高。电路原理简洁，可靠性高，有VOUT1、VOUT2双电源输出的功能，应用灵活。

Description

一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路。
背景技术
MMC柔性直流输电换流阀的桥臂以及级联型无功补偿装置、级联型有源滤波装置、级联型高压变频装置的逆变单元以及级联型直流电源装置的斩波单元的主回路结构均是由很多个功率单元串联构成，在功率模块发生故障时，应能可靠旁路，保障设备继续运行。
目前功率单元的二次板卡供电，传统采用直接从功率单元电容器上取能的方式，由于取能电源原理复杂、体积大，功率单元一般采用单个取能电源的设计。当取能电源失效时，该功率单元无法控制，需要将整个设备断电后才能手动旁路处理，对设备运行产生较严重的影响。
发明内容
为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，与功率模块上原有取能电源相互独立，当原有取能电源失效时，可以为功率单元的旁路接触器触发电路提供备用供电，以保障可靠执行接触器旁路动作。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，所述的功率模块为MMC柔性直流输电换流阀或级联型无功补偿装置、级联型有源滤波装置、级联型高压变频装置、级联型直流电源装置的桥式结构的功率单元。
所述的取能电路以所述的功率单元的电容器正极为电压输入端HVin，输出两路供电电源VOUT1和VOUT2。
所述的取能电路包括均压电阻、第一全控开关器件、整流二极管、第一电压采样电路、驱动电路、启动电路、启动电容、储能电容、第二电压采样电路、主控电路、功率变换电路和供电二极管。
由电压输入端HVin依次串联均压电阻和整流二极管后直接输出第一路供电电源VOUT1。
第一全控开关器件的上端连接在均压电阻和整流二极管的串联中间点，下端接地。
储能电容上端连接在整流二极管后端，下端接地。
启动电路与启动电容由上至下串联后与储能电容并联。
启动电路与启动电容串联的中间点为低压供电端VCC，为第一电压采样电路、驱动电路、第二电压采样电路和主控电路供电。
第一电压采样电路的输入端连接储能电容上端，输出端连接驱动电路，通过驱动电路连接第一全控开关器件的控制端。
第二电压采样电路的输入端连接储能电容上端，输出端连接主控电路。
主控电路输入端连接第二电压采样电路，输出端连接启动电路和功率变换电路的控制信号端，对启动电路和功率变换电路进行控制。
功率变换电路的一次侧连接储能电容上端，二次侧输出第二路供电电源VOUT2。
第二路供电电源VOUT2还经由供电二极管连接至低压供电端VCC上。
进一步地，所述的启动电路包括第二全控开关器件，第二全控开关器件的控制端由主控电路的输出端控制，第二全控开关器件的上端连接储能电容上端，下端连接启动电容上端。
进一步地，所述的功率变换电路包括第三全控开关器件和功率变压器，第三全控开关器件的控制端由主控电路的输出端控制，功率变压器一次侧上端连接储能电容上端，下端经由第三全控开关器件后接地，功率变压器二次侧输出第二路供电电源VOUT2。
进一步地，所述的第二全控开关器件和第三全控开关器件为MOS、IGBT或三极管其中的一种。
进一步地，所述的第一电压采样电路包括第一分压电阻和第一滞回比较器，第一分压电阻上端连接储能电容上端，下端接地，第一分压电阻的分压输出端连接第一滞回比较器的输入端，第一滞回比较器的输出端连接驱动电路。
进一步地，所述的第二电压采样电路包括第二分压电阻和第二滞回比较器，第二分压电阻上端连接储能电容上端，下端接地，第二分压电阻的分压输出端连接第二滞回比较器的输入端，第二滞回比较器的输出端连接主控电路。
进一步地，所述的主控电路为主控MCU，主控MCU的电源端连接低压供电端VCC，输入端口连接第二电压采样电路的电压采样信号，输出端输出启动电路的启动信号和功率变换电路的驱动信号。
进一步地，所述的驱动电路为三极管放大电路。
进一步地，所述的第一全控开关器件为MOS、IGBT或三极管其中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，与均压电阻串联后，连接到功率单元电容器，降低了全控器件以及储能电容器的耐压等级，设计便利性高。
2)本发明的与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，电路原理简洁，可靠性高。
3)本发明的与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，具有VOUT1、VOUT2双电源输出的功能，应用灵活。
4)本发明的与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，采用了第一电压采样电路和第二电压采样电路，分别控制全控开关器件和主控电路，控制参数可以分开设置，应用灵活。
5)本发明的与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，采用恒流式且可控关断的启动电路，为启动电容充电，给第一电压采样电路、驱动电路、第二电压采样电路、主控电路等供电，提供初始工作所需的能量，取能电路正常工作后，可以控制启动电路停止工作，降低了取能电路的损耗，提高了取能电路的工作效率。
附图说明
图1是本发明的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路拓扑结构框图；
图2是本发明的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路的整体原理图；
图3是现有技术中桥式结构功率单元样例图；
图4是本发明的启动电路原理图；
图5是本发明的功率变换电路原理图；
图6是本发明的第一电压采样电路的原理图；
图7是本发明的第二电压采样电路的原理图；
图8是本发明的驱动电路原理图；
图9是本发明的主控电路原理图。
图中：1-压电阻 2-整流二极管 3-第一全控开关器件 4-启动电路 5-驱动电路6-第一电压采样电路 7-启动电容 8-储能电容 9-第二电压采样电路 10-主控电路11-功率变换电路 12-供电二极管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，所述的功率模块为MMC柔性直流输电换流阀或级联型无功补偿装置、级联型有源滤波装置、级联型高压变频装置、级联型直流电源装置的桥式结构的功率单元。
如图1-3所示，所述的取能电路以所述的功率单元的电容器正极为电压输入端HVin，输出两路供电电源VOUT1和VOUT2。图3为MMC柔性直流输电换流阀或级联型无功补偿装置、级联型有源滤波装置、级联型高压变频装置、级联型直流电源装置的全桥结构的功率单元结构，其中的电容器C的正极为电压输入端HVin。
如图1-2所示，所述的取能电路包括均压电阻1、第一全控开关器件3、整流二极管2、第一电压采样电路6、驱动电路5、启动电路4、启动电容7、储能电容8、第二电压采样电路9、主控电路10、功率变换电路11和供电二极管12。
由电压输入端HVin依次串联均压电阻1和整流二极管2后直接输出第一路供电电源VOUT1。
第一全控开关器件3的上端(源极)连接在均压电阻1和整流二极管2的串联中间点，下端(漏极)接地GND。
储能电容8上端连接在整流二极管2后端，下端接地。
启动电路4与启动电容7由上至下串联后与储能电容8并联。
启动电路4与启动电容7串联的中间点为低压供电端VCC，为第一电压采样电路6、驱动电路5、第二电压采样电路9和主控电路10供电。
第一电压采样电路6的输入端连接储能电容8上端，输出端连接驱动电路5，通过驱动电路5连接第一全控开关器件3的控制端(门极)。
第二电压采样电路9的输入端连接储能电容8上端，输出端连接主控电路10。
主控电路10输入端连接第二电压采样电路9，输出端连接启动电路4和功率变换电路11的控制信号端，对启动电路4和功率变换电路11进行控制。
功率变换电路11的一次侧连接储能电容8上端，二次侧输出第二路供电电源VOUT2。
第二路供电电源VOUT2还经由供电二极管12连接至低压供电端VCC上。
所述的第一全控开关器件3为MOS、IGBT或三极管其中的一种。
所述的取能电路中：均压电阻2承受大部分功率单元电容电压，并向储能电容8充电；启动电路4与启动电容7配合，为第一电压采样电路6、驱动电路5、第二电压采样电路9和主控电路10供应必要的启动能量；第一全控开关器件3与整流二极管2、驱动电路5配合，控制均压电阻1对地短接或给储能电容8充电，以稳定储能电容8的电压幅值。
如图2、4所示，所述的启动电路4包括第二全控开关器件Q13，第二全控开关器件Q13的控制端(门极)通过隔离器件K11(继电器或光耦隔离)连接至主控电路10的输出端，第二全控开关器件Q13的控制端(门极)还并联有稳压管D11，防止全控器件门极电压超过器件耐受值。还有限流电阻R13和R14。第二全控开关器件Q13的上端(源极)连接储能电容8上端，下端(漏极)连接启动电容7上端。
如图2、5所示，所述的功率变换电路11包括第三全控开关器件Q14和功率变压器T11，第三全控开关器件Q14的控制端(门极)由主控电路10的输出端控制，功率变压器T11一次侧上端连接储能电容8上端，下端经由第三全控开关器件Q14后接地，功率变压器T11二次侧输出第二路供电电源VOUT2。
所述的第二全控开关器件Q13和第三全控开关器件Q14为MOS、IGBT或三极管其中的一种。
如图2、6所示，所述的第一电压采样电路6包括第一分压电阻R11、R12和第一滞回比较器A1，第一分压电阻R11、R12上端连接储能电容8上端，下端接地，第一分压电阻的R11、R12分压输出端连接第一滞回比较器A1的输入端，第一滞回比较器A1的输出端连接驱动电路5。
如图2、7所示，所述的第二电压采样电路9包括第二分压电阻R15、R16和第二滞回比较器，第二分压电阻R15、R16上端连接储能电容8上端，下端接地，第二分压电阻R15、R16的分压输出端连接第二滞回比较器A2的输入端，第二滞回比较器A2的输出端连接主控电路10。
如图2、8所示，所述的驱动电路为三极管放大电路，图8为常规的由两个三极管Q11和Q12串联形成的放大电路。
所述的驱动电路还可以是用于第三全控开关器件Q14的驱动芯片，驱动芯片为MOS驱动芯片、IGBT驱动芯片或三极管驱动芯片，根据第三全控开关器件Q14的原件类型进行选型。
如图2、9所示，所述的主控电路10为主控MCU，主控MCU的电源端连接低压供电端VCC，输入端口连接第二电压采样电路9的电压采样信号，输出端输出启动电路4的启动信号和功率变换电路11的驱动信号。主控MCU可以为UCX845、UCX844控制器，还可以是STM32、CPLD等芯片。
如图1、2所示，本发明的工作过程如下：
1)所述的取能电路启动前，驱动电路5、第一电压采样电路6第二电压采样电路9、主控电路10无供电电压，驱动电路5无输出，第一全控开关器件3处于关闭状态；
2)所述的取能电路输入电压HVin建立后，经均压电阻1整流二极管2和为储能电容8充电；
3)储能电容8充电电压升高至设定值后，启动电路4先开始工作，启动电路4的第二全控开关器件Q13的门极有驱动电压，有电流流经启动电路限流电阻R13和R14，启动电路限流电阻R13和R14起到负反馈作用，使启动电路4的输出电流按照设定值输出；
4)启动电容4电压开始建立，为驱动电路5、第一电压采样电路6、第二电压采样电路9、主控电路10供电；
5)储能电容8电压升高至第二电压采样电路9的设定值Ref2后，主控电路10驱动功率变换电路11开始工作；
6)功率变换电路11的输出经供电二极管12向驱动电路5、第一电压采样电路6、第二电压采样电路9、主控电路10供电，并通过主控电路10关闭启动电路4，以降低取能电路的功耗；
7)储能电容8充电电压继续升高，当升高至第一电压采样电路6的设定电压Ref1后，通过驱动电路5控制第一全控开关器件3导通，防止储能电容8继续升高；
8)第一全控开关器件3导通期间储能电容8电压开始下降；
9)储能电容8电压下降至第一电压采样电路6的设定电压Ref1后，通过驱动电路5控制第一全控开关器件3关断，输入经均压电阻1向储能电容8充电，储能电容8充电电压开始上升。
10)储能电容8充电电压继续升高，当升高至第一电压采样电路6的设定电压Ref1后，通过驱动电路5控制第一全控开关器件3导通，防止储能电容8继续升高，如此循环进行。
本领域技术人员应当明了，以上所示仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
以上对本发明所提供的一种包含状态反馈功能的冗余触发电路，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理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，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，所述的功率模块为MMC柔性直流输电换流阀或级联型无功补偿装置、级联型有源滤波装置、级联型高压变频装置、级联型直流电源装置的桥式结构的功率单元；
其特征在于，所述的取能电路以所述的功率单元的电容器正极为电压输入端HVin，输出两路供电电源VOUT1和VOUT2；
所述的取能电路包括均压电阻、第一全控开关器件、整流二极管、第一电压采样电路、驱动电路、启动电路、启动电容、储能电容、第二电压采样电路、主控电路、功率变换电路和供电二极管；
由电压输入端HVin依次串联均压电阻和整流二极管后直接输出第一路供电电源VOUT1；
第一全控开关器件的上端连接在均压电阻和整流二极管的串联中间点，下端接地；
储能电容上端连接在整流二极管后端，下端接地；
启动电路与启动电容由上至下串联后与储能电容并联；
启动电路与启动电容串联的中间点为低压供电端VCC，为第一电压采样电路、驱动电路、第二电压采样电路和主控电路供电；
第一电压采样电路的输入端连接储能电容上端，输出端连接驱动电路，通过驱动电路连接第一全控开关器件的控制端；
第二电压采样电路的输入端连接储能电容上端，输出端连接主控电路；
主控电路输入端连接第二电压采样电路，输出端连接启动电路和功率变换电路的控制信号端，对启动电路和功率变换电路进行控制；
功率变换电路的一次侧连接储能电容上端，二次侧输出第二路供电电源VOUT2；
第二路供电电源VOUT2还经由供电二极管连接至低压供电端VCC上。
2.根据权利要求1所述的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，其特征在于，所述的启动电路包括第二全控开关器件，第二全控开关器件的控制端由主控电路的输出端控制，第二全控开关器件的上端连接储能电容上端，下端连接启动电容上端。
3.根据权利要求1所述的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，其特征在于，所述的功率变换电路包括第三全控开关器件和功率变压器，第三全控开关器件的控制端由主控电路的输出端控制，功率变压器一次侧上端连接储能电容上端，下端经由第三全控开关器件后接地，功率变压器二次侧输出第二路供电电源VOUT2。
4.根据权利要求2或3所述的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，其特征在于，所述的第二全控开关器件和第三全控开关器件为MOS、IGBT或三极管其中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，其特征在于，所述的第一电压采样电路包括第一分压电阻和第一滞回比较器，第一分压电阻上端连接储能电容上端，下端接地，第一分压电阻的分压输出端连接第一滞回比较器的输入端，第一滞回比较器的输出端连接驱动电路。
6.根据权利要求1所述的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，其特征在于，所述的第二电压采样电路包括第二分压电阻和第二滞回比较器，第二分压电阻上端连接储能电容上端，下端接地，第二分压电阻的分压输出端连接第二滞回比较器的输入端，第二滞回比较器的输出端连接主控电路。
7.根据权利要求1所述的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，其特征在于，所述的主控电路为主控MCU，主控MCU的电源端连接低压供电端VCC，输入端口连接第二电压采样电路的电压采样信号，输出端输出启动电路的启动信号和功率变换电路的驱动信号。
8.根据权利要求1所述的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，其特征在于，所述的驱动电路为三极管放大电路。
9.根据权利要求1所述的一种与功率模块均压电阻串联应用的取能电路，其特征在于，所述的第一全控开关器件为MOS、IGBT或三极管其中的一种。
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