CN112260562B - 均压电路及包含该均压电路的功率模块 - Google Patents

均压电路及包含该均压电路的功率模块 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种均压电路及包含该均压电路的功率模块，所述均压电路包括：第一分压电阻、第二分压电阻以及开关元件；其中，所述开关元件为所述功率模块的功率元件；所述第一分压电阻的两端分别与所述功率模块的两个输出端口连接；所述第二分压电阻与所述功率模块的母线电容并联；本申请能够快速、准确和便捷的控制柔直换流阀功率模块静态直流电压的均衡，降低换流阀系统静态均压损耗和系统运行损耗，降低系统负担，减少系统零部件成本，实现系统的静态均压。

Description

均压电路及包含该均压电路的功率模块
技术领域
本申请涉及电子技术领域，具体涉及一种均压电路及包含该均压电路的功率模块。
背景技术
目前我国能源资源分布不均，采用西电东送的方式进行输电。其中，柔性直流输电技术具有不依赖电网换相、不存在换相失败、有功无功可以独立控制、响应速度快、运行方式灵活和可控性高等特点，特别适用于孤岛供电、新能源并网、异步交流电网互联等领域，是支撑可再生能源基地电力外送、提高交流电网安全稳定、优化电网结构的重要技术手段，因此，发展更高电压等级、更大容量的柔直输电技术成为未来的必然趋势。
现有技术中的柔直输电技术多采用模块化多电平拓扑结构，而模块化多电平的特点是一个桥臂由N个功率模块级联组成，但是N个功率模块串联后，其各自特性无法保证完全一致。在柔直系统启动的过程中，在换流阀带电之后，由于受换流阀杂散参数、换流阀机械布置设计、零部件的设计偏差、自取能电源的恒功率负载特性等因素的影响，导致换流阀无法长期等待电压均衡的状态，严重时，有些功率模块会因为电压不均衡导致器件过压而产生损坏，或有些功率模块会因为电压不均衡导致掉电而无法控制。特别是自取能电源的恒功率特性，想要均压就必须抑制电源在功率模块内部的阻抗表征，想要抑制自取能的恒功率特性，均压电阻阻值必须足够小，这样又会带来损耗等问题。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种均压电路及包含该均压电路的功率模块，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的问题，本申请提供一种均压电路及包含该均压电路的功率模块，能够快速、准确和便捷的控制柔直换流阀功率模块静态直流电压的均衡，降低换流阀系统静态均压损耗和系统运行损耗，降低系统负担，减少系统零部件成本，实现系统的静态均压。
为解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种均压电路，设置于功率模块内，包括第一分压电阻、第二分压电阻以及开关元件；
其中，所述开关元件为所述功率模块的功率元件；
所述第一分压电阻的两端分别与所述功率模块的两个输出端口连接；
所述第二分压电阻与所述功率模块的母线电容并联。
进一步地，所述开关元件为由第一可控开关和第二可控开关组成的半桥逆变电路或全桥逆变电路。
进一步地，所述第一可控开关和所述第二可控开关由并联设置的二极管和可控功率器件组成，所述二极管的正极与所述可控功率器件的发射极连接，所述二极管的负极与所述可控功率器件的集电极连接。
进一步地，所述第一可控开关和所述第二可控开关的二极管的导电方向与所述功率模块的电容充电方向相反，以使在桥臂电流的方向与所述功率模块的电容充电方向一致时，所述第一分压电阻与所述母线电容并联。
进一步地，在桥臂电流的方向与所述功率模块的电容放电方向一致且所述第一可控开关的可控功率器件处于导通状态时，所述第一分压电阻与所述母线电容并联。
进一步地，在桥臂电流的方向与所述功率模块的电容放电方向一致且所述第二可控开关的可控功率器件处于导通状态时，所述第一分压电阻不接入所述均压电路。
第二方面，本申请提供一种功率模块，包含上述的均压电路的功率模块，还包括母线电容和功率元件。
进一步地，所述功率元件为半桥逆变电路或全桥逆变电路。
进一步地，所述功率元件中的二极管的导电方向与所述母线电容的电容充电方向相反。
进一步地，在所述功率模块充电过程中，所述均压电路的开关元件控制所述第一分压电阻与所述母线电容的连接状态。
由上述技术方案可知，本申请提供一种均压电路及包含该均压电路的功率模块，通过均压电路中的开关元件的导通闭合，主动或被动地给功率模块充电，且所述均压电路中的开关元件采用的是功率模块的功率元件，能够有效减少系统零部件和硬件成本，同时，均压电路中还设置有与功率模块的两个输出端口连接的第一分压电阻和与功率模块的母线电容并联的第二分压电阻，能够实现快速均压和降低损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请所述包含有均压电路的功率模块的结构示意图；
图2为本申请所述功率模块充电时的等效电路图之一；
图3为本申请所述功率模块充电时的等效电路图之二；
图4为本申请所述功率模块充电时的等效电路图之三；
图5为本申请所述功率模块充电时的等效电路图之四。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
考虑到现有技术中功率模块会因为电压不均衡导致器件过压而产生损坏，或因为电压不均衡导致掉电而无法控制的问题。为了能够快速、准确和便捷的控制柔直换流阀功率模块静态直流电压的均衡，降低换流阀系统静态均压损耗和系统运行损耗，降低系统负担，减少系统零部件成本，实现系统的静态均压，本申请提供一种均压电路的实施例，参见图1，本实施例中，所述均压电路设置于功率模块内，具体包含第一分压电阻R11、第二分压电阻R12以及开关元件。
优选的，本申请所述均压电路中的开关元件为所述功率模块自带的功率元件，其中，所述功率元件可以为半桥逆变电路或全桥逆变电路，也可以为全桥逆变电路，本申请中优选为半桥逆变电路或全桥逆变电路，其具体由两组可控功率器件和二极管组成，其中，所述二极管的正极与所述可控功率器件的发射极连接，所述二极管的负极与所述可控功率器件的集电极连接。
可选的，本申请的均压电路中的第一分压电阻R11的两端分别与所述功率模块的两个输出端口(例如图1中所示输出端口A和输出端口B，下文也可简称为输出端口AB)连接，可以理解的是，由于本申请的第一分压电阻R11的具体阻值可以人为设定，能够满足均压需求即可。
同时，由于所述第一分压电阻R11的设置位置为输出端口AB处，而并非母线电容C侧，因此本申请的第一分压电阻R11不会一直在母线电容C侧耗电，有利于降低系统损耗。
可以理解的是，由于本申请的均压电路中的开关元件使用的是功率模块自带的功率元件，一方面能够节省系统硬件成本，另一方面功率元件通常与功率模块的输出端口AB连接，因此本申请的开关元件可以控制与所述输出端口AB并联的第一分压电阻R11的接入和隔离，以此实现均压的主动控制。
例如，当所述开关元件控制所述第一分压电阻R11接入功率模块时，即第一分压电阻R11能够并联在母线电容C一侧，且该母线电容C的另一侧还并联有第二分压电阻R12，由此使母线电容C两侧的阻值变小，可以有效抑制取能电源阻抗Rp，进而提升均压效果。
再例如，当均压电路的开关元件控制第一分压电阻R11与功率模块隔离时，即第一分压电阻R11不再接入功率模块的电路中时，能够有效降低系统的损耗。
可选的，所述第二分压电阻R12与所述功率模块的母线电容C并联，优选的，所述第二分压电阻R12的阻值大于常规电阻阻值，由此可以降低系统损耗。
从上述描述可知，根据本申请实施例提供的均压电路，通过均压电路中的开关元件的导通闭合，主动或被动地给功率模块充电，且所述均压电路中的开关元件采用的是功率模块的功率元件，能够有效减少系统零部件和硬件成本，同时，均压电路中还设置有与功率模块的两个输出端口连接的第一分压电阻和与功率模块的母线电容并联的第二分压电阻，能够实现快速均压和降低损耗。
作为一种优选地实施方式，所述开关元件为由第一可控开关和第二可控开关组成的半桥逆变电路或全桥逆变电路，其中，所述第一可控开关和所述第二可控开关由二极管和可控功率器件组成，所述二极管的正极与所述可控功率器件的发射极连接，所述二极管的负极与所述可控功率器件的集电极连接，例如，如图1所示，所述第一可控开关由可控功率器件S1和二极管D1组成，所述第二可控开关由可控功率器件S2和二极管D2组成。
作为一种优选地实施方式，所述第一可控开关和所述第二可控开关的二极管的导电方向与所述功率模块的电容充电方向相反，以使在桥臂电流Iarm的方向与所述功率模块的电容充电方向一致时，所述第一分压电阻R11与所述母线电容C并联。
具体的，参见图2和图3，所述第一可控开关和所述第二可控开关的二极管的导电方向与所述功率模块的电容充电方向相反，此时功率模块启动充电(桥臂电流Iarm方向如图2所示)，但开关元件S1和开关元件S2并未动作时，即被动均压时，由于二极管D1的单向导电能力，所述第一分压电阻R11将和第二分压电阻R12共同并联于母线电容C的两侧，这样使得并联在母线电容C两端的阻值变小，可以抑制取能电源阻抗Rp的特性，均压效果变好；同时，当桥臂电流Iarm方向如图3所示时，第一分压电阻R11被二极管D2导通并切除出系统，阻断功率模块充电，由此降低系统损耗。
作为一种优选地实施方式，在桥臂电流Iarm的方向与所述功率模块的电容放电方向一致且所述第一可控开关的可控功率器件S1处于导通状态时，所述第一分压电阻R11与所述母线电容C并联。
作为一种优选地实施方式，在桥臂电流Iarm的方向与所述功率模块的电容放电方向一致且所述第二可控开关的可控功率器件S2处于导通状态时，所述第一分压电阻R11不接入所述均压电路。
具体的，参见图4和图5，所述功率模块也可借由均压电路中的开关元件的可控功率器件S1和可控功率器件S2，根据电流方向不同，主动进行均压操作，实现电压均衡。例如，当桥臂电流Iarm方向如图4所示时，换流阀主动导通可控功率器件S1，实现第一分压电阻R11和第二分压电阻R12并联设置在母线电容C的两端，从而降低损耗又实现快速均压。当桥臂电流Iarm方向如图5所示时，换流阀可以主动导通可控功率器件S2，将功率模块的充电链路切断，实现均压，即第一分压电阻R11被可控功率器件S2导通切除出系统，由此降低系统损耗。
为了能够快速、准确和便捷的控制柔直换流阀功率模块静态直流电压的均衡，降低换流阀系统静态均压损耗和系统运行损耗，降低系统负担，减少系统零部件成本，实现系统的静态均压，本申请提供一种包含上述的均压电路的功率模块的实施例，参见图1，本实施例中，所述功率模块还包括母线电容C和功率元件；
其中，所述功率元件为所述均压电路的开关元件；
所述功率模块的输出端口AB与所述均压电路的第一分压电阻R11并联；
所述母线电容C与所述均压电路的第一分压电阻R11并联。
从上述描述可知，根据本申请实施例提供的包含上述的均压电路的功率模块，通过均压电路中的开关元件的导通闭合，主动或被动地给功率模块充电，且所述均压电路中的开关元件采用的是功率模块的功率元件，能够有效减少系统零部件和硬件成本，同时，均压电路中还设置有与功率模块的两个输出端口连接的第一分压电阻和与功率模块的母线电容并联的第二分压电阻，能够实现快速均压和降低损耗。
作为一种优选地实施方式，所述功率元件为半桥逆变电路或全桥逆变电路。
作为一种优选地实施方式，所述功率元件中的二极管的导电方向与所述母线电容C的电容充电方向相反。
作为一种优选地实施方式，在所述功率模块充电过程中，所述均压电路的开关元件控制所述第一分压电阻R11与所述母线电容C的连接状态。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种均压电路，其特征在于，设置于功率模块内，包括第一分压电阻、第二分压电阻以及开关元件；
其中，所述开关元件为由第一可控开关和第二可控开关组成的半桥逆变电路以用作所述功率模块的功率元件，所述第一可控开关和所述第二可控开关由二极管和可控功率器件组成，所述二极管的正极与所述可控功率器件的发射极连接，所述二极管的负极与所述可控功率器件的集电极连接，所述第一可控开关和所述第二可控开关的二极管的导电方向与所述功率模块的电容充电方向相反，以使在桥臂电流的方向与所述功率模块的电容充电方向一致时，所述第一分压电阻与母线电容并联；
所述第一可控开关和所述第二可控开关串联，所述母线电容与所述开关元件并联，所述第二可控开关的两端作为功率模块的两个输出端口，所述第一分压电阻的两端分别与所述功率模块的两个输出端口连接；
所述第二分压电阻与所述母线电容并联。
2.根据权利要求1所述的均压电路，其特征在于，在桥臂电流的方向与所述功率模块的电容放电方向一致且所述第一可控开关的可控功率器件处于导通状态时，所述第一分压电阻与所述母线电容并联。
3.根据权利要求1所述的均压电路，其特征在于，在桥臂电流的方向与所述功率模块的电容放电方向一致且所述第二可控开关的可控功率器件处于导通状态时，所述第一分压电阻不接入所述均压电路。
4.一种包含权利要求1至权利要求3任一项所述的均压电路的功率模块，其特征在于，还包括母线电容和功率元件。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，在所述功率模块充电过程中，所述均压电路的开关元件控制所述第一分压电阻与所述母线电容的连接状态。
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