CN111614244A - 驱动电路及电力电子设备 - Google Patents

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Abstract

一种驱动电路及电力电子设备，所述驱动电路用于应用于电力电子设备，所述电力电子设备包括串接在直流母线上，用于对整机上电瞬间的电流进行缓冲的缓冲电路，所述缓冲电路由缓冲开关和缓冲电阻并联组成，所述缓冲开关包括与缓冲电阻并联的母线可控硅，所述驱动电路用于驱动母线可控硅，所述驱动电路包括隔离单元及高压开关单元，其中：所述隔离单元的输入端连接至电力电子设备的控制单元的输出端、输出端连接至所述高压开关单元的控制端，所述高压开关单元的输入端连接至母线可控硅的阳极、输出端与母线可控硅的门级共接后连接至参考地。该驱动电路的集成度高、成本低，且能够应用于380V～480等级的电力电子设备上。

Description

驱动电路及电力电子设备
技术领域
本发明涉及变频器驱动技术领域，更具体地说，涉及一种驱动电路及电力电子设备。
背景技术
对于使用二极管不可控整流的电压型变频器，直流母线需使用电解电容进行储能滤波，由于电解电容具有电压不能突变的特性，整机上电瞬间的输入冲击电流会很大，这个大冲击电流会对整流桥和母线电容产生不利影响，因而需要对这个电流进行限制。在现有的变频器中，一般是通过增加缓冲电路(即软启动电路)来实现这一功能,上述缓冲电路既可串联连接在正直流母线上，如图1所示，也可以串联连接在负直流母线上，如图2所示。
缓冲电路一般使用缓冲开关T和缓冲电阻D并联的电路形式，而其中的缓冲开关一般使用继电器、接触器、可控硅等器件类型。当选用可控硅作为母线上的缓冲开关时，需要增加用于驱动该母线可控硅的驱动电路。由于可控硅是电流型驱动器件，其驱动电路相对于继电器驱动电路要复杂一些，另外由于上电瞬间电网电压峰值会全部加在母线可控硅上，同时这个电压也会加在可控硅的驱动电路上，所以应用在这种场合的母线可控硅驱动电路必须也能承受整机上电瞬间的高压。这使得上述驱动电路需要采用耐高压的开关器件，即母线可控硅驱动电路需要具备电流型驱动同时，还需耐高压。
现有的母线可控硅驱动电路一般有选用可控硅的专用驱动光耦、或者光耦加高压MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)的驱动方案，或者利用离散器件搭建的更复杂的驱动电路等等。
然而，上述可控硅专用驱动光耦仅针对220V电压等级的应用，器件耐压只有800V，只能应用在220V等级变频器上，不能用在380V-480V电压等级的变频器上(否则容易误触发)，而且这种光耦价格偏高；光耦+高压MOSFET的方案中，高压MOSFET价格较高；利用分立器件搭建的电路中阻容及其它分立器件众多，占用印制电路板的体积大，可靠性也不佳。
发明内容
本发明实施例针对上述母线可控硅驱动电路中存在有器件耐压只有800V，不能用在380V-480V电压等级的变频器上，可控硅的专用驱动光耦价格较高；或者，高压MOSFET成本高；或者，分立器件电路元件较多，占用印制电路板体积大，可靠性不佳的问题，提供一种驱动电路及电子电力设备。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种驱动电路，应用于电力电子设备，所述电力电子设备包括串接在直流母线上，用于对整机上电瞬间的电流进行缓冲的缓冲电路，所述缓冲电路由缓冲开关和缓冲电阻并联组成，所述缓冲开关包括与所述缓冲电阻并联的母线可控硅，所述驱动电路用于驱动所述母线可控硅，所述驱动电路包括隔离单元及高压开关单元，其中：
所述隔离单元的输入端连接至电力电子设备的控制单元的输出端，所述隔离单元的输出端连接至所述高压开关单元的控制端，所述高压开关单元的输入端连接至母线可控硅的阳极，所述高压开关单元的输出端与所述母线可控硅的门级共接后连接至参考地；
所述电力电子设备上电瞬间，所述高压开关单元保持关断状态，此时所述母线可控硅处于关断状态，上电瞬间的输入电压峰值同步加在所述高压开关单元的输入端和输出端之间，所述电力电子设备通过所述缓冲电阻对母线电容充电；
当所述电力电子设备的母线电压上升到预设值时，由所述隔离单元根据所述控制单元输入的可控硅控制信号控制所述高压开关单元导通，使所述高压开关单元向所述母线可控硅的门极输出触发电流，控制所述母线可控硅导通，进而使得所述电力电子设备完成上电缓冲。
优选地，所述高压开关单元包括限流电阻和单向可控硅，且所述单向可控硅的阳极经由所述限流电阻后构成所述高压开关单元的输入端，并连接至所述母线可控硅的阳极；所述单向可控硅的阴极构成所述高压开关单元的输出端，并与所述母线可控硅的门级共接后连接至参考地；所述单向可控硅的门级构成所述高压开关单元的控制端，并连接至所述隔离单元的输出端。
优选地，当所述电力电子设备的供电电源为电压等级为380V-480V的三相交流电时，所述单向可控硅的耐压等级大于1200V。
优选地，所述隔离单元采用光耦隔离电路，所述光耦隔离电路包括隔离光耦原边回路和隔离光耦副边回路，且所述控制单元的输出端连接到所述隔离光耦原边回路，所述隔离光耦副边回路连接至所述高压开关单元的控制端。
优选地，所述隔离光耦副边回路包括光敏器件、第一分压电阻以及第二分压电阻，所述光敏器件的输入端构成所述隔离光耦副边回路的供电端连接至第一外部供电电源，所述光敏器件的输出端经由所述第一分压电阻和所述第二分压电阻连接至参考地，所述第一分压电阻和第二分电阻的连接点构成所述隔离单元的输出端连接至所述高压开关单元的控制端。
优选地，所述隔离光耦原边回路包括发光器件、第三分压电阻以及第四分压电阻，所述发光器件的输入端与所述第三分压电阻的一端共接后构成所述隔离光耦原边回路的供电端连接至第二外部供电电源，所述发光器件的输出端与所述第三分压电阻的另一端共接后连接至所述四分压电阻的一端，所述第四分压电阻的另一端构成所述隔离单元的输入端连接至电力电子设备的控制单元的输出端。
本发明实施例还提供一种电力电子设备，包括串接在直流母线上，用于对整机上电瞬间的电流进行缓冲的缓冲电路，所述缓冲电路由缓冲开关和缓冲电阻并联组成，所述缓冲开关包括与所述缓冲电阻并联的母线可控硅，所述电力电子设备还包括如上所述的驱动电路，并通过所述驱动电路驱动所述母线可控硅。
优选地，所述直流母线包括正直流母线和与负直流母线；
所述缓冲电路串联连接在负直流母线上；或者，所述缓冲电路串联连接在正直流母线上。
本发明实施例的驱动电路及电力电子设备，通过高压开关单元与隔离单元配合，根据电力电子设备的控制单元的输出信号产生驱动信号，以驱动母线可控硅开关，相较于可控硅专用驱动光耦，本发明实施例可提高耐压，能够应用到380V-480V电压等级的电力电子设备；相较于光耦+高压MOSFET的方案，本发明实施例可显著降低成本；相较于利用分立器件搭建方案，本发明实施例减少了对印制电路板面积的占用，提高了可靠性。
附图说明
图1是现有变频器的电路拓扑图；
图2是另一变频器的电路拓扑图；
图3是本发明实施例提供的驱动电路示意图；
图4是本发明实施例提供的驱动电路应用于变频器的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3、4所示，是本发明第一实施例提供的驱动电路的示意图，该驱动电路可应用于变频器、驱动器、变流器等电力电子设备，上述电力电子设备包括串接在直流母线上，用于对整机上电瞬间的电流进行缓冲的缓冲电路，该缓冲电路由缓冲开关和缓冲电阻并联组成，且缓冲开关包括与缓冲电阻R并联的母线可控硅T。本发明实施例的驱动电路用于驱动上述母线可控硅T，且本实施例的驱动电路包括高压开关单元31以及隔离单元32。
上述隔离单元32的输入端SCR_Control连接至电力电子设备的控制单元的输出端，且该隔离单元32的输出端连接至高压开关单元31的控制端；高压开关单元31的输入端SCR_A连接至母线可控硅T的阳极，且该高压开关单元31的输出端SCR_G与母线可控硅T的门极共接后连接参考地GND_SCR。
在电力电子设备上电瞬间，高压开关单元31保持关断状态，使母线可控硅T处于关断状态，上电瞬间的输入电压峰值同步加在高压开关单元31的输入端SCR_A和输出端SCR_G之间，电力电子设备通过缓冲电阻R对母线电容充电；当电力电子设备的母线电压上升到预设值时，由控制单元向隔离单元32的输入端SCR_Control输入可控硅控制信号，隔离单元32根据可控硅控制信号控制高压开关单元31导通，使高压开关单元31向母线可控硅T的门极输出触发电流，控制母线可控硅导通T，进而使得电力电子设备完成上电缓冲。
上述驱动电路通过隔离单元32隔离输出电力电子设备的控制单元输出的控制信号，并由高压开关单元31根据隔离单元32输出的隔离信号产生驱动信号，以驱动母线可控硅开关。相较于可控硅专用驱动光耦，上述驱动电路可通过提高高压开关单元31的耐压等级，能够应用到380V-480V电压等级的电力电子设备；相较于光耦+高压MOSFET的方案，本发明实施例可显著降低成本；相较于利用分立器件搭建方案，本发明实施例减少了对印制电路板面积的占用，提高了可靠性。
在本发明的一个实施例中，上述高压开关单元31包括限流电阻R1和单向可控硅T1，且单向可控硅T1的阳极经由限流电阻R1构成高压开关单元31的输入端SCR_A，并母线可控硅T的阳极连接，从而通过电力电子设备的直流母线为单向可控硅T1的阳极提供直流电压，并在单向可控硅T1导通时在限流电阻R1中产生促使单向可控硅T1导通的触发电流。单向可控硅T1的阴极构成高压开关单元31的输出端SCR_G，并与母线可控硅T的门级共接后连接至参考地GND_SCR。单向可控硅T1的门级构成高压开关单元31的控制端，并连接至隔离单元32的输出端。
当隔离单元32的输出端输出高于单向可控硅T1的开启电流时，单向可控硅T1导通(同时单向可控硅T1的阳极和阴极之间存在压差)，并向母线可控硅T的门极输出触发电流，母线可控硅T在其阳极和阴极之间的压差，以及来自单向可控硅T1的触发电流共同作用下触发导通。
上述高压开关单元31采用一个小的贴片器件(即单向可控硅T1)作为高压开关，不仅可以承受整机上电瞬间加在直流母线上的高压，同时在上电之后的正常工作过程中又能向母线可控硅T1的门极输出使其导通的触发电流。并且，由于母线可控硅T导通后的阳极和阴极之间的管压降瞬间变为很小(约1-2V)，此时流过限流电阻R1和单向可控硅T1的电流会降为很小，即使此时单向可控硅T1关断，只要母线可控硅T有阳极电流，其还会继续保持导通。优选的，当所述电力电子设备的供电电源为电压等级为380V-480V的三相交流电时，所述单向可控硅的耐压等级大于1200V。
在本发明的另一个实施例中，上述隔离单元32可采用光耦隔离电路，该光耦隔离电路包括隔离光耦原边回路和隔离光耦副边回路，且控制单元的输出端连接到隔离光耦原边回路，隔离光耦副边回路连接至高压开关单元31的控制端。当控制单元的输出端输出的可控硅控制信号为预设电平时，隔离光耦原边回路导通，并使得隔离光耦副边回路导通，进而产生使高压开关单元31导通的信号。
上述隔离光耦原边回路属于低压控制部分，隔离光耦副边回路属于高压控制部分，从而可将控制单元输出的低压控制信号(即可控硅控制信号)转换为高压控制信号，实现了控制单元输出端与高压开关单元31的控制端之间的完全隔离，进而防止高压电流信号导致低压部分的元器件的损坏。即上述隔离单元32通过隔离光耦原边回路和隔离光耦副边回路实现电力电子设备的控制单元与电力电子设备的主回路之间的绝缘，无需使用耐高压的隔离器件，可大大降低隔离器件的成本。
在本发明的另一个实施例中，上述隔离光耦副边回路包括光敏器件(包含于光耦U1)、第一分压电阻R1以及第二分压电阻R2，光敏器件的输入端构成隔离光耦副边回路的供电端，并连接至第一外部供电电源SCR_B(例如+15V直流电源)，从而通过第一外部供电电源SCR_B为隔离光耦副边回路提供导通电压。光敏器件的输出端经由第一分压电阻R3和第二分压电阻R2连接至参考地GND_SCR，第一分压电阻R3和第二分电阻R2的连接点构成隔离单元32的输出端，并连接至高压开关单元31的控制端。从而在隔离光耦副边导通时，高压开关单元31的控制端(即单向可控硅T1的门极)形成触发电流，使得高压开关单元31导通。
在本发明的另一个实施例中，隔离光耦原边回路包括发光器件(包含于光耦U1)、第三分压电阻R4以及第四分压电阻R5，上述发光器件的输入端与第三分压电阻R3的一端共接后构成隔离光耦原边回路的供电端，并连接至第二外部供电电源SCR_C(例如+5V直流电源)，从而通过第二外部供电电源SCR_C为隔离光耦原边回路提供导通电压。发光器件的输出端与第三分压电阻R4的另一端共接后连接至第四分压电阻R5的一端，该第四分压电阻R5的另一端构成隔离单元32的输入端SCR_Control，并连接至电力电子设备的控制单元的输出端。当控制单元输出低电平信号时，隔离光耦原边回路导通，并使得隔离光耦副边回路导通，从而高压开关单元31的单向可控硅T1的门极一直保持有触发电流，在单向可控硅T1的阳极和阴极压差的共同作用下，单向可控硅T1导通。
本发明实施例还提供了一种电力电子设备，该电力电子设备可以为变频器、驱动器、UPS、变流器等，如图4所示，该电力设备包括串接在直流母线上，用于对整机上电瞬间的电流进行缓冲的缓冲电路以及如上所述的驱动电路，上述缓冲电路由缓冲开关和缓冲电阻并联组成，缓冲开关包括与所述缓冲电阻并联的母线可控硅T，且驱动电路的高压开关单元的输出端与母线可控硅T的门极连接，并实现对母线可控硅T的驱动控制。
上述直流母线包括与上述整流单元的正电压输出端连接的正直流母线和与上述整流单元的负电压输出端连接的负直流母线。
具体地，上述缓冲电路可串联连接在负直流母线上，且母线可控硅T的阴极与整流单元的负电压输出端连接，驱动电路的第一供电端与上述母线可控硅T的阳极连接。
或者，缓冲电路可串联连接在正直流母线上，且母线可控硅T的阳极与整流单元的正电压输出端连接，驱动电路的第一供电端与母线可控硅的阳极连接。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种驱动电路，应用于电力电子设备，所述电力电子设备包括串接在直流母线上，用于对整机上电瞬间的电流进行缓冲的缓冲电路，所述缓冲电路由缓冲开关和缓冲电阻并联组成，所述缓冲开关包括与所述缓冲电阻并联的母线可控硅，所述驱动电路用于驱动所述母线可控硅，其特征在于，所述驱动电路包括隔离单元及高压开关单元，其中：
所述隔离单元的输入端连接至电力电子设备的控制单元的输出端，所述隔离单元的输出端连接至所述高压开关单元的控制端，所述高压开关单元的输入端连接至母线可控硅的阳极，所述高压开关单元的输出端与所述母线可控硅的门级共接后连接至参考地；
所述电力电子设备上电瞬间，所述高压开关单元保持关断状态，此时所述母线可控硅处于关断状态，上电瞬间的输入电压峰值同步加在所述高压开关单元的输入端和输出端之间，所述电力电子设备通过所述缓冲电阻对母线电容充电；
当所述电力电子设备的母线电压上升到预设值时，由所述隔离单元根据所述控制单元输入的可控硅控制信号控制所述高压开关单元导通，使所述高压开关单元向所述母线可控硅的门极输出触发电流，控制所述母线可控硅导通，进而使得所述电力电子设备完成上电缓冲。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述高压开关单元包括限流电阻和单向可控硅，且所述单向可控硅的阳极经由所述限流电阻后构成所述高压开关单元的输入端，并连接至所述母线可控硅的阳极；所述单向可控硅的阴极构成所述高压开关单元的输出端，并与所述母线可控硅的门级共接后连接至参考地；所述单向可控硅的门级构成所述高压开关单元的控制端，并连接至所述隔离单元的输出端。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，当所述电力电子设备的供电电源为电压等级为380V-480V的三相交流电时，所述单向可控硅的耐压等级大于1200V。
4.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述隔离单元采用光耦隔离电路，所述光耦隔离电路包括隔离光耦原边回路和隔离光耦副边回路，且所述控制单元的输出端连接到所述隔离光耦原边回路，所述隔离光耦副边回路连接至所述高压开关单元的控制端。
5.根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，所述隔离光耦副边回路包括光敏器件、第一分压电阻以及第二分压电阻，所述光敏器件的输入端构成所述隔离光耦副边回路的供电端连接至第一外部供电电源，所述光敏器件的输出端经由所述第一分压电阻和所述第二分压电阻连接至参考地，所述第一分压电阻和第二分电阻的连接点构成所述隔离单元的输出端连接至所述高压开关单元的控制端。
6.根据权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，所述隔离光耦原边回路包括发光器件、第三分压电阻以及第四分压电阻，所述发光器件的输入端与所述第三分压电阻的一端共接后构成所述隔离光耦原边回路的供电端连接至第二外部供电电源，所述发光器件的输出端与所述第三分压电阻的另一端共接后连接至所述四分压电阻的一端，所述第四分压电阻的另一端构成所述隔离单元的输入端连接至电力电子设备的控制单元的输出端。
7.一种电力电子设备，包括串接在直流母线上，用于对整机上电瞬间的电流进行缓冲的缓冲电路，所述缓冲电路由缓冲开关和缓冲电阻并联组成，所述缓冲开关包括与所述缓冲电阻并联的母线可控硅，其特征在于，所述电力电子设备还包括如权利要求1-6中任一项所述的驱动电路，并通过所述驱动电路驱动所述母线可控硅。
8.根据权利要求7所述的电力电子设备，其特征在于，所述直流母线包括正直流母线和与负直流母线；
所述缓冲电路串联连接在负直流母线上；或者，所述缓冲电路串联连接在正直流母线上。
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