CN113839546B - 一种中点钳位电路、控制设备及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种中点钳位电路、控制设备及控制方法。该中点钳位电路包括主电路、控制器和检测器。主电路包括开关管电路、二极管钳位电路和电感。其中，开关管电路包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管。检测器用于监测电源的状态，控制器分别与检测器及各开关管的控制端连接。本申请提供的中点钳位电路中的控制器根据检测器发送的检测信息，在电源因故障或关机，需要停止能量传输时，控制各开关管的通断并使第二开关管或第三开关管为电感电流提供续流回路，减少第二开关管或第三开关管两端的电压差，有效避免开关管承受过高的电压应力而导致损坏，提高器件的使用寿命和电路的可靠性。

Description

一种中点钳位电路、控制设备及控制方法

技术领域

本申请涉及电路控制领域，尤其涉及一种中点钳位电路、控制设备及控制方法。

背景技术

中点钳位（Neutral Point Clamped，简称NPC）电路普遍应用于整流电路和逆变电路。在NPC电路连接的电源出现异常或者需要关机时，需要关闭NPC电路中开关管的驱动脉冲。目前常用的做法是直接关闭NPC电路中所有开关管的驱动脉冲，以达到关闭开关管和停止电源输出的目的。但是，这种方法会使得NPC电路中的电感电流只能通过各开关管的反向并联二极管进行续流，进一步导致NPC电路中电感一侧对中性节点电平突变，使得部分开关管承受过高电压应力而损坏，降低电源的可靠性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种中点钳位电路、控制设备及控制方法，具体方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种中点钳位电路，所述电路包括主电路、控制器和检测器，所述主电路包括开关管电路、二极管钳位电路和电感；

所述开关管电路包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第二开关管和所述第三开关管间的第一节点与所述电感连接；

所述二极管钳位电路包括经由中性点连接的第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极连接于所述第一开关管和所述第二开关管间的第二节点，所述第二二极管的阳极连接于所述第三开关管和所述第四开关管间的第三节点；

所述检测器用于监测电源的状态，所述控制器分别与各开关管的控制端及所述检测器连接，所述控制器用于根据所述检测器发送的检测信息，在电源因故障或关机，需要停止能量传输时，控制各开关管的通断，并使所述第二开关管或所述第三开关管为电感电流提供续流回路，减少所述第二开关管或所述第三开关管两端的电压差。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述开关管包括MOS管、三极管和IGBT管中的任意一种。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述开关管电路的直流侧两端之间依次连接第一电容和第二电容，所述第一二极管和所述第二二极管的一端连接于所述第一电容和所述第二电容间的所述中性点。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述电感经由第三电容与交流侧节点连接。

第二方面，本申请实施例提供了一种中点钳位电路控制设备，所述控制设备包括第一方面中任一项实施例中所述的中点钳位电路。

第三方面，本申请实施例提供了一种中点钳位电路控制方法，所述控制方法应用于第二方面中所述的控制设备，所述方法包括：

所述检测器根据所述电源的实时参数判断所述电源是否发生故障或需要关机；

若所述检测器判定所述电源发生故障或需要关机，向所述控制器发送检测信息；

所述控制器接收所述检测信息，并获取当前各开关管所处的开关周期；

在电源因故障或关机，需要停止能量传输时，所述控制器根据所述开关周期控制各开关管的通断，并使所述第二开关管或所述第三开关管为电感电流提供续流回路，减少所述第二开关管或所述第三开关管两端的电压差。

根据本申请公开的一种具体实施方式，若各开关管所处的开关周期为正半周期，所述控制器根据所述开关周期控制各开关管的通断的步骤，包括：

所述控制器控制所述第一开关管、所述第三开关管和所述第四开关管断开，以及控制所述第二开关管导通。

根据本申请公开的一种具体实施方式，控制所述第二开关管导通的步骤，包括：

控制所述第二开关管在预设时段内保持导通状态；

在所述预设时段结束后，控制所述第二开关管由导通状态切换为断开状态。

根据本申请公开的一种具体实施方式，若各开关管所处的开关周期包为负半周期，所述控制器根据所述开关周期控制各开关管的通断的步骤，包括：

所述控制器控制所述第一开关管、所述第二开关管和所述第四开关管断开，以及控制所述第三开关管导通。

根据本申请公开的一种具体实施方式，控制所述第三开关管导通的步骤，包括：

控制所述第三开关管在预设时段内保持导通状态；

在所述预设时段结束后，控制所述第三开关管由导通状态切换为断开状态。

相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：

本申请提供的中点钳位电路包括主电路、控制器和检测器，主电路包括开关管电路、二极管钳位电路和电感。其中，开关管电路包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管。检测器用于监测电源的状态，控制器分别与检测器及各开关管的控制端连接。本申请提供的中点钳位电路中的控制器根据检测器发送的检测信息，在电源因故障或关机，需要停止能量传输时，控制各开关管的通断，并使第二开关管或第三开关管为电感电流提供续流回路，减少第二开关管或第三开关管两端的电压差，可以有效避免开关管承受过高的电压应力而导致过压损坏，提高器件的使用寿命和电路的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1为中点钳位电路的电路示意图；

图2为图1所示中点钳位电路涉及的开关周期波形示意图；

图3为图1所示中点钳位电路涉及的续流电流的电流走向示意图之一；

图4为图1所示中点钳位电路涉及的续流电流的电流走向示意图之二；

图5为本申请实施例提供的一种中点钳位电路的电路示意图；

图6为本申请实施例提供的一种中点钳位电路涉及的续流电流的电流走向示意图之一；

图7为本申请实施例提供的一种中点钳位电路涉及的续流电流的电流走向示意图之二；

图8为本申请实施例提供的一种中点钳位电路控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

参见图1，图1为中点钳位电路的电路示意图。现有技术中，如图1所示的中点钳位电路由Q1、Q2、Q3和Q4四个开关管，以及Da和Db两个钳位二极管组成，其中D1-D4为开关管Q1-Q4的反并联二极管。目前，对于图1所述的中点钳位电路而言，在电源出现异常或需要关机时，常用的做法是直接关闭所有开关管。但是，这样可能造成开关管承受过高的电压应力，最终导致开关管和电源的损坏。

正常工作情况下，中点钳位电路中的四个开关管Q1-Q4的开关驱动波形可以参见图2，图2为图1所示中点钳位电路涉及的开关周期波形示意图。具体地，在一个开关周期内，定义开关管Q2导通以及开关管Q4断开时，对应的部分开关周期为正半周期；开关管Q3导通以及开关管Q1断开时，对应的部分开关周期为负半周期。正常工作情况下，在正半周期，开关管Q1和开关管Q3交替开关，开关管Q2保持导通状态，开关管Q4保持断开状态；在负半周期，开关管Q2和开关管Q4交替开关，开关管Q3保持导通，开关管Q1保持关闭。

在不同的开关周期内，四个开关管的导通与断开状态有多种组合，但在正半周期或负半周期内，仅分别存在一种情况会在直接断开所有开关管时导致部分开关管承受过高的电压应力。下面对两种情况方式分别解释。

在第一种情况中，参见图3，图3为图1所示中点钳位电路涉及的续流电流的电流走向示意图之一。在各开关管的发波逻辑处在正半周期时，开关管Q1和开关管Q2导通，以及开关管Q3和开关管Q4断开的情况下，对应的电流流向如实线所示，为P-Q1-Q2-A。如果电源异常时，直接将开关管全部断开，电感Lf上的电流无法突变。此时，续流电流为I1，其电流流向如图3中的虚线所示，为：N-D4-D3-A。这会导致A点对中性点O电平突变，开关管Q2将存在过压损坏的风险。具体地，续流电流I1从N点依次经过两个二极管流向A点，由于二极管的导通压降小，会导致A点的电平接近N点的电平，而B点的电平被二极管Da钳位,使得开关管Q2两端的压降过大，可能损坏开关管Q2。其中，中性点O为直流侧均压电容的中点。

在第二种情况中，参见图4，图4为图1所示中点钳位电路涉及的续流电流的电流走向示意图之二。在各开关管的发波逻辑处在负半周期时，开关管Q1和开关管Q2断开，以及开关管Q3和开关管Q4导通的情况下，对应的电流流向如虚线所示，为A-Q3-Q4-N。如果电源异常时，直接将开关管全部断开，电感Lf上的电流无法突变。此时，续流电流为I2,其电流流向如图4中的实线所示，为：A-D2-D1-P。这会导致A点对中性点O电平突变，开关管Q3将存在过压损坏的风险。具体原理同上述第一种情况，这里不再一一赘述。

为了解决上述技术问题，参见图5，图5为本申请实施例提供的一种中点钳位电路的电路示意图。中点钳位电路包括主电路501、控制器502和检测器503，主电路501包括开关管电路、二极管钳位电路和电感Lf。

开关管电路包括依次串联的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，电感Lf的一端连接于第二开关管Q2和第三开关管Q3间的第一节点A，电感Lf的另一端连接于交流侧节点S。

二极管钳位电路包括经由中性点O连接的第一二极管Da和第二二极管Db，第一二极管Da的阴极连接于第一开关管Q1和第二开关管Q2间的第二节点B，第二二极管Db的阳极连接于第三开关管Q3和第四开关管Q4间的第三节点C。

所述检测器用于监测电源的状态，所述控制器502分别与各开关管的控制端及所述检测器503连接。

需要说明的是，中点钳位电路为双向电路，分别对应“直流转化为交流”以及“交流转化为直流”两种不同的工作状态。

具体实施时，检测器503根据电源的实时参数判断电源是否发生故障或需要关机。若检测器503判定电源发生故障或需要关机，向控制器502发送检测信息。控制器502接收检测信息，并获取当前各开关管所处的开关周期。控制器502根据开关周期控制各开关管的通断，以使第二开关管Q2或第三开关管Q3为电感电流提供续流回路，减少第二开关管Q2或第三开关管Q3两端的电压差。

检测器503可以根据电源的实时参数，检测电源是否存在过流、过压以及短路等故障，所述实时参数包括但不限于电流参数和电压参数。若检测器检测到电源存在故障或需要关机，检测器503向控制器502发送对应的检测信息。控制器502接收到检测信息后，按照预设操作控制对应开关管的导通或断开。此外，在电源处于正常工作状态时，控制器也可以接收用户通过终端设备发送的控制指令，根据所述控制指令控制各开关管的通断。

具体地，根据控制器502获取到各开关管所处的开关周期的不同，控制器502对各开关管的控制过程分为如下两种不同的实施方式：

在第一种实施方式中，对应上述图3所示中点钳位电路所涉及的问题，若控制器502获取到当前的开关周期为正半周期，控制第一开关管Q1、第三开关管Q3和第四开关管Q4断开，并控制第二开关管Q2导通。进一步地，可以在控制第一开关管Q1、第三开关管Q3和第四开关管Q4断开的前提下，控制第二开关管Q2在预设时段内保持导通状态，经过预设时段后，将第二开关管Q2由导通状态切换为断开状态。其中，所述预设时段的具体数值可以由用户根据历史经验值或者实际需求自定义。

参见图6，图6为本申请实施例提供的一种中点钳位电路涉及的续流电流的电流走向示意图之一，对应上述第一种实施方式，可确保中点钳位电路中存在续流电流I3,其电流流向如图6中的虚线所示，为：0-Da-Q2-A。此种情况下，A点对O点电平不会突变，第二开关管Q2不会存在过压损坏的风险。

在第二种实施方式中，对应上述图4所示中点钳位电路所涉及的问题，若控制器502获取到当前的开关周期为负半周期，控制第一开关管Q1、第二开关管Q2和第四开关管Q4断开，并控制第三开关管Q3导通。进一步地，可以在控制第一开关管Q1、第二开关管Q2和第四开关管Q4断开的前提下，控制第三开关管Q3在预设时段内保持导通状态，经过预设时段后，将第三开关管Q3由导通状态切换为断开状态。其中，所述预设时段的具体数值可以由用户根据历史经验值或者实际需求自定义。

参见图7，图7为本申请实施例提供的一种中点钳位电路涉及的续流电流的电流走向示意图之二，对应上述第二种实施方式，可确保中点钳位电路中存在续流电流I4,其电流流向如图6中的虚线所示，为：A-Q3-Db-O。此种情况下，A点对O点电平不会突变，第三开关管Q3不会存在过压损坏的风险。

具体实施时，开关管包括MOS管、三极管和IGBT管中的任意一种，控制器502包括但不局限于DSP和单片机。此外，开关管电路直流侧的两端P点和N点之间依次连接第一电容C1和第二电容C2。

本申请提供的中点钳位电路中的控制器根据检测器发送的故障信息或关机信息，控制各开关管的通断，以使第二开关管或第三开关管为电感电流提供续流回路，减少第二开关管或第三开关管两端的电压差，可以有效避免开关管承受过高的电压应力而导致过压损坏，提高器件的使用寿命和电路的可靠性。

本申请还提供一种中点钳位电路控制设备，所述中点钳位电路控制设备包括上述实施方式中任一项所述的中点钳位电路。

与上述中点钳位电路控制设备或者图5所示的中点钳位电路相对应，参见图8，为本申请实施例提供的一种中点钳位电路控制方法的流程示意图，所述方法包括：

步骤S801，所述检测器根据所述电源的实时参数判断所述电源是否发生故障或需要关机。

步骤S802，若所述检测器判定所述电源发生故障或需要关机，向所述控制器发送检测信息。

其中，所述检测信息包括对应电源的故障信息或关机信息。

步骤S803，所述控制器接收所述检测信息，并获取当前各开关管所处的开关周期。

步骤S804，在电源因故障或关机，需要停止能量传输时，所述控制器根据所述开关周期控制各开关管的通断，并使所述第二开关管或所述第三开关管为电感电流提供续流回路，减少所述第二开关管或所述第三开关管两端的电压差。

具体地，本申请提供的中点钳位电路控制方法在电源发生异常或者在电源需要正常关机，需要关闭开关管驱动时，可以依据各开关管当前的驱动发波逻辑所处的开关周期，对相应开关管进行如下的不同控制：

（1）若控制器502获取当前的开关周期为正半周期时，断开第一开关管Q1与第三开关管Q3，并控制第二开关管Q2与第四开关管Q4维持现有状态不变，即保持第二开关管Q2为导通状态，第四开关管Q4为断开状态；或者，断开第一开关管Q1与第三开关管Q3，控制第四开关管Q4在预设时段内维持现有状态不变，第二开关管Q2在预设时段结束后再关闭。

（2）若控制器502获取当前的开关周期为负半周期时，断开第二开关管Q2与第四开关管Q4，并控制第一开关管Q1与第三开关管Q3维持现有状态不变，即保持第三开关管Q3为导通状态，第一开关管Q1为断开状态；或者，断开第二开关管Q2与第四开关管Q4，控制第一开关管Q1在预设时段内维持现有状态不变，第三开关管Q3在预设时段结束后再关闭。

本申请所提供的中点钳位电路控制方法的具体实施过程，可以参见上述实施例提供的中点钳位控制电路的具体实施过程，在此不再一一赘述。

相比较于直接关闭所有开关管的处理方式，本申请提供的中点钳位电路控制方法可以有效避免部分开关管在断开时，承受过高的电压应力而损坏，保证电源及其他元器件不受损坏。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的电路和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的电路实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和电路示意图显示了根据本申请的多个实施例的电路和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种中点钳位电路，其特征在于，所述中点钳位电路包括主电路、控制器和检测器，所述主电路包括开关管电路、二极管钳位电路和电感；

所述开关管电路包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第二开关管和所述第三开关管间的第一节点与所述电感连接；

所述二极管钳位电路包括经由中性点连接的第一二极管和第二二极管，其中，所述中性点连接所述第一二极管的阳极以及所述第二二极管的阴极，所述第一二极管的阴极连接于所述第一开关管和所述第二开关管间的第二节点，所述第二二极管的阳极连接于所述第三开关管和所述第四开关管间的第三节点；

所述检测器用于监测电源的状态，所述控制器分别与各开关管的控制端及所述检测器连接，根据所述检测器发送的检测信息，在电源因故障或者关机，需要停止能量传输时，控制各开关管的通断，以使所述第二开关管或所述第三开关管为电感电流提供续流回路，减少所述第二开关管或所述第三开关管两端的电压差，所述检测器根据电源的实时参数，检测电源是否存在故障，所述故障的类型包括过流、过压以及短路；

其中，若各开关管所处的开关周期为正半周期，所述控制器控制所述第一开关管、所述第三开关管和所述第四开关管断开，以及控制所述第二开关管导通；若各开关管所处的开关周期为负半周期，所述控制器控制所述第一开关管、所述第二开关管和所述第四开关管断开，以及控制所述第三开关管导通。

2.根据权利要求1所述的中点钳位电路，其特征在于，所述开关管包括MOS管、三极管和IGBT管中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的中点钳位电路，其特征在于，所述开关管电路的直流侧两端之间依次连接第一电容和第二电容，所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极连接于所述第一电容和所述第二电容间的所述中性点。

4.根据权利要求1所述的中点钳位电路，其特征在于，所述电感经由第三电容与交流侧节点连接。

5.一种中点钳位电路控制设备，其特征在于，所述中点钳位电路控制设备包括权利要求1至4中任一项所述的中点钳位电路。

6.一种中点钳位电路控制方法，其特征在于，应用于权利要求5所述的中点钳位电路控制设备，所述方法包括：

所述检测器根据所述电源的实时参数判断所述电源是否发生故障或需要关机；

若所述检测器判定所述电源发生故障或需要关机，向所述控制器发送检测信息；

所述控制器接收所述检测信息，并获取当前各开关管所处的开关周期；

在电源因故障或关机，需要停止能量传输时，所述控制器根据所述开关周期控制各开关管的通断，并使所述第二开关管或所述第三开关管为电感电流提供续流回路，减少所述第二开关管或所述第三开关管两端的电压差，所述检测器根据电源的实时参数，检测电源是否存在故障，所述故障的类型包括过流、过压以及短路；

若各开关管所处的开关周期为正半周期，所述控制器根据所述开关周期控制各开关管的通断的步骤，包括：

所述控制器控制所述第一开关管、所述第三开关管和所述第四开关管断开，以及控制所述第二开关管导通；

若各开关管所处的开关周期为负半周期，所述控制器根据所述开关周期控制各开关管的通断的步骤，包括：

所述控制器控制所述第一开关管、所述第二开关管和所述第四开关管断开，以及控制所述第三开关管导通。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，控制所述第二开关管导通的步骤，包括：

控制所述第二开关管在预设时段内保持导通状态；

在所述预设时段结束后，控制所述第二开关管由导通状态切换为断开状态。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，控制所述第三开关管导通的步骤，包括：

控制所述第三开关管在预设时段内保持导通状态；

在所述预设时段结束后，控制所述第三开关管由导通状态切换为断开状态。

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