CN110417248A - 一种二极管箝位三电平rcd吸收电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二极管箝位三电平RCD吸收电路，包括二极管箝位三电平半桥子电路以及分别与二极管箝位三电平半桥子电路连接的第一缓冲子电路、第二缓冲子电路、第三缓冲子电路和第四缓冲子电路。本发明通过简单的电容、电感和电阻的无源器件组合，在开关管通关过程中，能有效抑制开关管上的电压尖峰，保护开关器件，确保二极管箝位三电平电路安全可靠运行。
Description
技术领域
本发明属于电力电子产品技术领域，具体涉及一种二极管箝位三电平RCD吸收电路的设计。
背景技术
二极管箝位三电平电路有两大优点：(1)每相输出三种电平，极大地降低了谐波含量，有利于滤波器的设计；(2)每只开关管的电压应力降低为输入电压的一半。因此二极管箝位三电平电路越来越广泛地应用于各种变换器中，例如二极管箝位三电平逆变器，二极管箝位三电平DC-DC变换器等。
在实际应用中，由于主电路布线和器件本身都不可避免的存在杂散电感，开关管关断或续流二极管反向恢复时，过高的电流变化率会在开关管产生电压尖峰并引起震荡，严重时会超出器件的安全工作范围，造成开关器件的损坏。因此为了保证开关器件的安全工作，需要在主电路中加装吸收电路。
目前多电平变换器吸收电路的研究成果主要是将一些经典的两电平吸收电路扩展到多电平电路中。设计多电平变换器的吸收电路不仅要考虑多电平变换器的特殊电路结构，而且要尽量简化电路设计，否则不但会由于吸收电路的非理想特性，其效果不尽人意，而且吸收电路的实用性也会大打折扣。
发明内容
本发明的目的是提出一种二极管箝位三电平RCD吸收电路，用于抑制二极管箝位三电平电路的电压尖峰，保护开关器件。
本发明的技术方案为：一种二极管箝位三电平RCD吸收电路，包括二极管箝位三电平半桥子电路以及分别与二极管箝位三电平半桥子电路连接的第一缓冲子电路、第二缓冲子电路、第三缓冲子电路和第四缓冲子电路。
进一步地，二极管箝位三电平半桥子电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、支撑电容C1、支撑电容C2、箝位二极管D1和箝位二极管D2；开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4依次按照发射极-集电极相连的形式串联；支撑电容C1的一端与开关管S1的集电极连接，其另一端与支撑电容C2的一端连接，支撑电容C2的另一端与开关管S4的发射极连接；箝位二极管D1的阴极与开关管S2的集电极连接，其阳极与支撑电容C1和支撑电容C2的连接节点连接，箝位二极管D2的阳极与开关管S3的发射极连接，其阴极与支撑电容C1和支撑电容C2的连接节点连接。
进一步地，第一缓冲子电路包括二极管Ds1、电容Cs1和吸收电阻Rs1；二极管Ds1的阳极分别与电容Cs1的一端以及吸收电阻Rs1的一端连接，其阴极与开关管S2和开关管S3的连接节点连接，电容Cs1的另一端与开关管S1的集电极连接，吸收电阻Rs1的另一端与开关管S4的发射极连接。
进一步地，第二缓冲子电路包括二极管Ds2、电容Cs2和吸收电阻Rs2；二极管Ds2的阳极与开关管S1和开关管S2的连接节点连接，其阴极分别与电容Cs2的一端以及吸收电阻Rs2的一端连接，电容Cs2的另一端与箝位二极管D1和箝位二极管D2的连接节点连接，吸收电阻Rs2的另一端与开关管S1的集电极连接。
进一步地，第三缓冲子电路包括二极管Ds3、电容Cs3和吸收电阻Rs3；二极管Ds3的阳极分别与电容Cs3的一端以及吸收电阻Rs3的一端连接，其阴极与开关管S3和开关管S4的连接节点连接，电容Cs3的另一端与箝位二极管D1和箝位二极管D2的连接节点连接，吸收电阻Rs3的另一端与开关管S4的发射极连接。
进一步地，第四缓冲子电路包括二极管Ds4、电容Cs4和吸收电阻Rs4；二极管Ds4的阳极与开关管S2和开关管S3的连接节点连接，其阴极分别与电容Cs4的一端以及吸收电阻Rs4的一端连接，电容Cs4的另一端与开关管S4的发射极连接，吸收电阻Rs4的另一端与开关管S1的集电极连接。
本发明的有益效果是：本发明提供的RCD吸收电路为简单的电容、电感和电阻的无源器件组合，简单可靠；在开关管通断过程中，能有效抑制开关管上的电压尖峰，保护开关器件，确保二极管箝位三电平电路安全可靠运行。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种二极管箝位三电平RCD吸收电路示意图。
图2所示为本发明实施例提供的电路状态从1100到0100的过程示意图。
图3所示为本发明实施例提供的电路状态从0110到0010的过程示意图。
图4所示为本发明实施例提供的电路状态从0011到0010的过程示意图。
图5所示为本发明实施例提供的电路状态从0110到0100的过程示意图。
图6所示为本发明实施例提供的RCD吸收电路充放电过程示意图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种二极管箝位三电平RCD吸收电路，包括二极管箝位三电平半桥子电路以及分别与二极管箝位三电平半桥子电路连接的第一缓冲子电路、第二缓冲子电路、第三缓冲子电路和第四缓冲子电路。
如图1所示，二极管箝位三电平半桥子电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、支撑电容C1、支撑电容C2、箝位二极管D1和箝位二极管D2；开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4依次按照发射极-集电极相连的形式串联；支撑电容C1的一端与开关管S1的集电极连接，其另一端与支撑电容C2的一端连接，支撑电容C2的另一端与开关管S4的发射极连接；箝位二极管D1的阴极与开关管S2的集电极连接，其阳极与支撑电容C1和支撑电容C2的连接节点连接，箝位二极管D2的阳极与开关管S3的发射极连接，其阴极与支撑电容C1和支撑电容C2的连接节点连接。
第一缓冲子电路包括二极管Ds1、电容Cs1和吸收电阻Rs1；二极管Ds1的阳极分别与电容Cs1的一端以及吸收电阻Rs1的一端连接，其阴极与开关管S2和开关管S3的连接节点连接，电容Cs1的另一端与开关管S1的集电极连接，吸收电阻Rs1的另一端与开关管S4的发射极连接。
第二缓冲子电路包括二极管Ds2、电容Cs2和吸收电阻Rs2；二极管Ds2的阳极与开关管S1和开关管S2的连接节点连接，其阴极分别与电容Cs2的一端以及吸收电阻Rs2的一端连接，电容Cs2的另一端与箝位二极管D1和箝位二极管D2的连接节点连接，吸收电阻Rs2的另一端与开关管S1的集电极连接。
第三缓冲子电路包括二极管Ds3、电容Cs3和吸收电阻Rs3；二极管Ds3的阳极分别与电容Cs3的一端以及吸收电阻Rs3的一端连接，其阴极与开关管S3和开关管S4的连接节点连接，电容Cs3的另一端与箝位二极管D1和箝位二极管D2的连接节点连接，吸收电阻Rs3的另一端与开关管S4的发射极连接。
第四缓冲子电路包括二极管Ds4、电容Cs4和吸收电阻Rs4；二极管Ds4的阳极与开关管S2和开关管S3的连接节点连接，其阴极分别与电容Cs4的一端以及吸收电阻Rs4的一端连接，电容Cs4的另一端与开关管S4的发射极连接，吸收电阻Rs4的另一端与开关管S1的集电极连接。
本发明实施例中，二极管箝位三电平RCD吸收电路中的电容充电或者放电，为电路续流，吸收电压尖峰；稳态时，吸收电容通过主回路再次充电或者放电，为下一次吸收开关管电压尖峰提供条件，其工作原理及过程如下：
考虑死区时间，分析开关管S1～S4的开通关断过程需要依次考虑表1所示的5个开关状态的切换，其中1为通态，0为断态。
表1 分析开关管通断过程时桥臂开关状态的切换状态
(1)电路状态从1100→0100的过程如图2所示，图2(a)为开关管S1关断前的电流流通路径，图2(b)为开关管S1关断后的电流流通路径，开关管S1关断后，杂散电感上的电流通过电容Cs1和二极管Ds1回路续流，为电容Cs1充电。
(2)电路状态从0100→0110的过程中，开关管S3开通前后，电流流通路径不变。
(3)电路状态从0110→0010的过程如图3所示，若开关管S2关断前的电流流通路径如图3(a)所示，那么开关管S2关断后的电流流通路径不变。若开关管S2关断前的电流流通路径如图3(b)所示，那么开关管S2关断后的电流流通路径如图3(c)所示，开关管S2关断过程中电流迅速下降，电压上升，此时开关管S3的反并联二极管承受正向电压而导通，当开关管S2完全关断后，电容Cs3开始放电，电流流通路径为电容Cs3、二极管Ds3和开关管S3的反并联二极管。
(4)电路状态从0010→0011的过程中，开关管S4开通前后，电流流通路径不变。
(5)电路状态从0011→0010的过程如图4所示，图4(a)为开关管S4关断前的电流流通路径，图2(b)为开关管S4关断后的电流流通路径，开关管S4关断后，杂散电感上的电流通过电容Cs4和二极管Ds4回路续流，为电容Cs4充电。
(6)电路状态从0010→0110的过程中，开关管S3开通前后，电流流通路径不变。
(7)电路状态从0110→0100的过程如图5所示，若开关管S3关断前的电流流通路径如图3(b)所示，那么开关管S3关断后的电流流通路径不变。若开关管S3关断前的电流流通路径如图3(a)所示，那么开关管S3关断后的电流流通路径如图5所示，开关管S3关断过程中电流迅速下降，电压上升，此时开关管S2的反并联二极管承受正向电压而导通，当开关管S3完全关断后，电容Cs2开始放电，电流流通路径为电容Cs2、二极管Ds2和开关管S2的反并联二极管。
(8)电路状态从0100→1100的过程中，开关管S1开通前后，电流流通路径不变。
当二极管箝位三电平RCD吸收电路处于稳态时，电容Cs1通过电容C1、电容C2和吸收电阻Rs1回路放电，电容Cs4通过电容C1、电容C2和吸收电阻Rs4回路放电，如图6(a)(c)所示，电容Cs1和电容Cs4两端电压与直流侧电压相等。当二极管箝位三电平RCD吸收电路处于稳态时，电容Cs2通过电容C1和吸收电阻Rs2回路充电，电容Cs3通过电容C2和吸收电阻Rs3回路充电，如图6(b)(d)所示，电容Cs2两端的电压与电容C1两端的电压相等，电容Cs3两端的电压与电容C2两端的电压相等。
本发明实施例提供的二极管箝位三电平RCD吸收电路可以广泛应用于多种三电平变换器中，例如二极管箝位三电平逆变器、二极管箝位三电平整流器、二极管箝位三电平DC-DC变换器等。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种二极管箝位三电平RCD吸收电路，其特征在于，包括二极管箝位三电平半桥子电路以及分别与二极管箝位三电平半桥子电路连接的第一缓冲子电路、第二缓冲子电路、第三缓冲子电路和第四缓冲子电路。
2.根据权利要求1所述的二极管箝位三电平RCD吸收电路，其特征在于，所述二极管箝位三电平半桥子电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、支撑电容C1、支撑电容C2、箝位二极管D1和箝位二极管D2；所述开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4依次按照发射极-集电极相连的形式串联；所述支撑电容C1的一端与开关管S1的集电极连接，其另一端与支撑电容C2的一端连接，所述支撑电容C2的另一端与开关管S4的发射极连接；所述箝位二极管D1的阴极与开关管S2的集电极连接，其阳极与支撑电容C1和支撑电容C2的连接节点连接，所述箝位二极管D2的阳极与开关管S3的发射极连接，其阴极与支撑电容C1和支撑电容C2的连接节点连接。
3.根据权利要求2所述的二极管箝位三电平RCD吸收电路，其特征在于，所述第一缓冲子电路包括二极管Ds1、电容Cs1和吸收电阻Rs1；所述二极管Ds1的阳极分别与电容Cs1的一端以及吸收电阻Rs1的一端连接，其阴极与开关管S2和开关管S3的连接节点连接，所述电容Cs1的另一端与开关管S1的集电极连接，所述吸收电阻Rs1的另一端与开关管S4的发射极连接。
4.根据权利要求2所述的二极管箝位三电平RCD吸收电路，其特征在于，所述第二缓冲子电路包括二极管Ds2、电容Cs2和吸收电阻Rs2；所述二极管Ds2的阳极与开关管S1和开关管S2的连接节点连接，其阴极分别与电容Cs2的一端以及吸收电阻Rs2的一端连接，所述电容Cs2的另一端与箝位二极管D1和箝位二极管D2的连接节点连接，所述吸收电阻Rs2的另一端与开关管S1的集电极连接。
5.根据权利要求2所述的二极管箝位三电平RCD吸收电路，其特征在于，所述第三缓冲子电路包括二极管Ds3、电容Cs3和吸收电阻Rs3；所述二极管Ds3的阳极分别与电容Cs3的一端以及吸收电阻Rs3的一端连接，其阴极与开关管S3和开关管S4的连接节点连接，所述电容Cs3的另一端与箝位二极管D1和箝位二极管D2的连接节点连接，所述吸收电阻Rs3的另一端与开关管S4的发射极连接。
6.根据权利要求2所述的二极管箝位三电平RCD吸收电路，其特征在于，所述第四缓冲子电路包括二极管Ds4、电容Cs4和吸收电阻Rs4；所述二极管Ds4的阳极与开关管S2和开关管S3的连接节点连接，其阴极分别与电容Cs4的一端以及吸收电阻Rs4的一端连接，所述电容Cs4的另一端与开关管S4的发射极连接，所述吸收电阻Rs4的另一端与开关管S1的集电极连接。
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