CN115842537A - 一种开关器件串联均压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关器件串联均压电路，包括开关桥臂，关于中间节点对称分为上桥臂和下桥臂，上桥臂包括至少两个互相串联的第一开关器件，下桥臂包括至少两个互相串联的第二开关器件，相邻两个第一开关器件之间设有第一串联节点，相邻两个第二开关器件之间设有第二串联节点，第一开关器件和第二开关器件均并联有均压电阻；直流电路，正极输出端连接开关桥臂的正极，负极输出端连接开关桥臂的负极；至少一辅助均压电容，两端分别连接关于中间节点对称的第一串联节点和第二串联节点；储能电感，一端连接中间节点，另一端连接其他电路。本发明提升了动态均压能力。
Description
技术领域
本发明涉及开关器件技术领域，尤其涉及一种开关器件串联均压电路。
背景技术
在电力电子装置中，开关器件包括半导体功率开关或化合物半导体功率开关，通常是系统中关键元件，其开关耐压能力和开关速度等均是重要参数指标，往往对整个电力电子装置的性能产生及其重要的影响。随着功率容量的不断增加，此类开关器件所要承受的电压等级也越来越高，成百上千乃至几万伏电压要求都有。然而，单个开关器件受材料和工艺条件等限制，耐压能力有限，并且一些相同结构类型的开关器件随着耐压等级的提升，其开关性能也变差。以IGBT为例，1700VIGBT相比于600V IGBT的开关速度、开关损耗等指标差距很大。
针对开关器件耐压不足问题，开关器件串联是提升开关工作电压的途径之一，开关器件串联可以满足高压应用的要求。开关器件串联时期望器件之间实现均压，但是在实际应用中各开关器件之间经常存在控制参数差异，开关驱动延时不一致等问题，进而造成各开关器件之间无法均压。如图1所示，在基于传统Buck降压电路的开关器件串联电路中，当串联开关器件S1和串联开关器件S2同为关断状态时，两只并联电阻用以平衡两个串联开关器件不同的漏电流造成的电压偏差，使每个串联开关器件承担接近一半的系统输入电压。然而，当两个串联开关器件在开通和关断过程中存在时间差时，后开通或先关断的的串联开关器件，在短时间内将承受全部工作电压，因此该电路的串联开关器件存在动态不均压问题。为了解决动态不均压的问题，需要配置额外的电路或方法去克服。在申请号为CN113938117A，名称为“一种均压装置及电力电子开关”的中国发明专利中，如图2所示，该发明专利采用电容分压实现电压均衡，但是同时带来了开关器件开通时电容电流尖峰和电容能量的损耗。在申请号为CN113922802A，名称为“一种15kV可控硅放电开关”的中国发明专利中，如图3所示，该发明专利采用电阻、电容和二极管构成静态均压和动态均压电路，可克服电容放电的电流尖峰，但仍然存在电容充放电损耗。在申请号为CN110994961B，名称为“一种功率开关管串联运行门极电压幅值补偿均压方法和电路”的中国发明专利中，如图4所示，该发明专利在开关器件的门极驱动电路中增加采样和补偿单元，利用开关器件并联的RC缓冲电路的电流反馈差值，对开关驱动的时间做调整，目标是补偿开通和关断过程的时间不一致，从而实现开关器件动态电压均衡。缺点是线路复杂，并且RC缓冲电路带来充放电损耗。
发明内容
发明内容描述段落针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种开关器件串联均压电路，用于避免缓冲电路充放电造成的额外损耗，提升动态均压能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种开关器件串联均压电路，包括：
开关桥臂，关于自身的正极与负极之间的中间节点对称划分为互相串联的上桥臂1和下桥臂2，所述上桥臂1包括至少两个互相串联的第一开关器件，所述下桥臂2包括至少两个互相串联的第二开关器件，相邻两个所述第一开关器件之间设有第一串联节点，相邻两个所述第二开关器件之间设有第二串联节点，各所述第一开关器件和各所述第二开关器件均并联有一均压电阻；
直流电路3，所述直流电路3的正极连接所述开关桥臂的正极，所述直流电路3的负极连接所述开关桥臂的负极；
至少一辅助均压电容Ca，正极和负极分别连接关于所述中间节点对称的所述第一串联节点和所述第二串联节点；
储能电感L1，一端连接所述中间节点，另一端连接其它电路。
进一步地，所述第一开关器件和所述第二开关器件包括半控型电力电子器件、全控型电力电子器件或功率二极管。其中所述全控型电力电子器件包括场效应管、绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或功率静电感应晶体管。
进一步地，所述开关器件串联均压电路还包括驱动电路，所述驱动电路为原副边隔离的变压器，所述变压器的副边包括若干隔离输出绕组，各所述隔离输出绕组连接所述全控型电力电子器件的控制极。
进一步地，所述辅助均压电容Ca的容量与所述储能电感L1的电流幅值、所述上桥臂1中各所述第一开关器件之间的最大通断时间差或所述下桥臂2中各所述第二开关器件之间的最大通断时间差之间满足预设限制公式，所述预设限制公式配置为：
其中，
用于表示所述辅助均压电容的容量；
进一步地，所述绝缘栅双极型晶体管反向并联有续流二极管。
进一步地，所述中间节点与所述下桥臂2的输出端之间还连接有第三续流二极管D1，所述第三续流二极管D1的阳极连接所述下桥臂2的负极，所述第三续流二极管D1的阴极连接所述中间节点。
进一步地，所述直流电路3的正极与负极之间还连接有输入滤波电容Cd1。
进一步地，所述中间节点与所述上桥臂1的正极之间还连接有第四续流二极管D2，所述第四续流二极管D2的阳极连接所述中间节点，所述第四续流二极管D2的阴极连接所述上桥臂1的正极。
进一步地，所述第一开关器件和所述第二开关器件由半导体或化合物半导体材料制成。
本发明的有益效果：
本发明通过在上桥臂1的第一串联节点与下桥臂2的第二串联节点之间连接辅助均压电容Ca，利用辅助均压电容Ca在各开关器件存在通断时间差时对直流电路3施加在后导通或先关断的开关器件上的过电压进行均分，避免过大电压损坏开关器件，提升了电路的动态均压能力；同时本发明中的串联均压电路结构简单，无需设置复杂的采样与控制电路，也不需要开关器件两端并联一一对应的缓冲电路，能够有效避免开关器件在开关过程中开关缓冲电容的充放电损耗，节省电路构建成本。
附图说明
图1是现有技术中基于传统Buck降压电路的串联均压电路的电路原理图；
图2是现有技术CN113938117A中的开关器件串联分压电路原理图；
图3是现有技术CN113922802A中的开关器件串联分压电路原理图；
图4是现有技术CN110994961B中的开关器件串联分压电路原理图；
图5是本发明开关器件串联均压电路应用于Buck降压电路的电路原理图；
图6是本发明开关器件串联均压电路应用于Buck降压另一个电路原理图；
图7是本发明中变压器的隔离输出绕组与开关器件的连接示意图；
图8是本发明开关器件串联均压电路应用于双向DC-DC电路的电路原理图；
图9是本发明开关器件串联均压电路应用于双向DC-AC电路的电路原理图；
图10是本发明开关器件串联均压电路应用于单向DC-AC电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图5所示，本实施例的一种开关器件串联均压电路，包括：
开关桥臂，关于自身的正极与负极之间的中间节点对称划分为互相串联的上桥臂1和下桥臂2，上桥臂1包括至少两个互相串联的第一开关器件，下桥臂2包括至少两个互相串联的第二开关器件，相邻两个第一开关器件之间设有第一串联节点，相邻两个第二开关器件之间设有第二串联节点，各第一开关器件和各第二开关器件均并联有一均压电阻；
直流电路3，直流电路3的正极连接开关桥臂的正极，直流电路3的负极输出端连接开关桥臂的负极；
至少一辅助均压电容Ca，正极和负极分别连接关于中间节点对称的第一串联节点和第二串联节点；
储能电感L1，一端连接中间节点，另一端连接其它元件。
优选的，第一开关器件和第二开关器件包括半控型电力电子器件、全控型电力电子器件或功率二极管。其中全控型电力电子器件包括场效应管、绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、功率静电感应晶体管。
具体地，在实施例一中，均压电阻设置有四个，包括阻值相等的R1，R2，R3和R4。第一开关器件设置有两个，包括绝缘栅双极型晶体管S1和S2。辅助均压电容Ca设置有一个。第二开关器件设置有两个，包括第二功率二极管D3和D4。开关桥臂PWM开关工作过程中，当第一开关器件S1和S2处于静态同时导通状态时，储能电感L1上电流从桥臂中间节点流向另一端外接的电容元件，辅助均压电容Ca的正极相当于直接连接到了直流电路3的正极，此时直流电路3的电压U被均分到均压电阻R3和R4上，辅助均压电容Ca的负极连接在第二串联节点上，此时辅助均压电容Ca上的电压与均压电阻R3上的电压一致为1/2U。当变压器的隔离输出绕组同时驱动绝缘栅双极型晶体管S1和S2关断时，由于存在信号传输延时，导致绝缘栅双极型晶体管S1和S2先后关断。当绝缘栅双极型晶体管S1先关断时，由于储能电感L1的电流无法突变，第二功率二极管D4续流导通，第二功率二极管D3由于辅助均压电容Ca施加的反向电压无法导通，储能电感L1的电流依次流经外接电容元件、第二功率二极管D4、辅助均压电容Ca、绝缘栅双极型晶体管S2至开关桥臂的中间节点构成的回路。此时绝缘栅双极型晶体管S1上的电压为直流电路3输出的电压U减去辅助均压电容Ca上的电压1/2U得到1/2U，仍然处于绝缘栅双极型晶体管S1的承受范围内，同时实现了动态电压均分。当绝缘栅双极型晶体管S2跟着关断时，第二功率二极管D3和D4导通，跟储能电感L1进行续流，此时绝缘栅双极型晶体管S2要承受辅助均压电容Ca施加的反向电压电压1/2U，绝缘栅双极型晶体管S1要承受直流电路3输出的电压U减去辅助均压电容Ca上的电压1/2U得到1/2U，绝缘栅双极型晶体管S1和S2上的电压均处于自身承受范围内，同时实现了动态电压均分。
当绝缘栅双极型晶体管S2先关断时，绝缘栅双极型晶体管S2上承受的电压为辅助均压电容Ca上的电压1/2U，此时绝缘栅双极型晶体管S1处于导通状态，第二功率二极管D4上的电压为直流电路3输出的电压U减去辅助均压电容Ca上的电压1/2U得到1/2U，因此第二功率二极管D4无法导通，此时电流的流向自直流电路3的正极开始、流经绝缘栅双极型晶体管S1、辅助均压电容Ca、第二功率二极管D3、储能电感L1至外接电容元件，再经外接电容负极与直流电路3的负极构成回路。当绝缘栅双极型晶体管S1跟着关断时，第二功率二极管导通、绝缘栅双极型晶体管S1将承受直流电路3电压U减去绝缘栅双极型晶体管S2上的电压1/2U得到1/2U，实现动态电压均分。
对于上桥臂1两只串联开关从关断转为导通的过程，当绝缘栅双极型晶体管S1先导通时，绝缘栅双极型晶体管S2上承受的电压为辅助均压电容Ca上的电压1/2U，第二功率二极管D4上的电压为直流电路3输出的电压U减去辅助均压电容Ca上的电压1/2U得到1/2U，因此第二功率二极管D4无法导通，此时电流的流向为直流电路3的正极、绝缘栅双极型晶体管S1、辅助均压电容Ca、第二功率二极管D3、储能电感L1，再经外接电容元件以及直流电路3负极构成回路。当绝缘栅双极型晶体管S2跟着导通时，第二功率二极管D3反向电压偏置并关断，此时绝缘栅双极型晶体管S1和S2导通将辅助均压电容Ca的正极钳位到直流电路3的正极输出端，辅助均压电容Ca的电压由第二功率二极管D3和第二功率二极管D4并联的均压电阻R3和R4分压得到，由于均压电阻R3和R4阻值一致，因此辅助均压电容Ca的电压仍为1/2U，绝缘栅双极型晶体管S2上承受的电压为1/2U，绝缘栅双极型晶体管S1上承受的电压为直流电路3输出的电压U减去绝缘栅双极型晶体管S2上承受的电压1/2U得到1/2U，实现动态电压均分。
优选的，在实施例一中，中间节点与下桥臂2的负极之间还连接有第三续流二极管D1，第三续流二极管D1的阳极连接下桥臂2的负极，第三续流二极管D1的阴极连接中间节点。
具体地，在实施例一中，当储能电感L1断流时，会产生反电动势，通过在中间节点与下桥臂2的负极之间连接第三续流二极管D1，也可使得储能电感L1通过第三续流二极管D1反向续流并将能量输送到外接电容Cd2中。本技术方案通过在上桥臂1的第一串联节点与下桥臂2的第二串联节点之间连接辅助均压电容Ca，利用辅助均压电容Ca在各开关器件存在通断时间差时对直流电路3施加在后导通或先关断的开关器件上的电压进行均分钳位，避免过大电压损坏开关器件，提升了电路的动态均压能力；同时本技术方案中的串联均压电路结构简单，无需设置复杂的采样与控制电路，也不需要开关器件两端并联一一对应的缓冲电路，能够有效避免开关器件在开关过程中缓冲电路的充放电损耗，节省电路构建成本；通过使用均压电阻实现了各开关器件和辅助均压电容Ca之间的静态均衡。
在实施例二中，可以去除原第三续流二极管D1，得到如图6所示的Buck降压简化电路，各开关器件的驱动共用同一路开关指令信号，用一个变压器的两个隔离输出绕组来连接并驱动各个串联的开关器件，如图7所示，其中，S1和S2分别用于表示两个开关器件。
在实施例三中，将本发明中的开关器件串联均压电路应用在双向DC-DC电路中，如图8所示，第一开关器件包括绝缘栅双极型晶体管S1和S2，第二开关器件包括绝缘栅双极型晶体管S3和S4，辅助均压电容Ca的正负极分别连接第一串联节点和第二串联节点，实现绝缘栅双极型晶体管S1、S2、S3和S4动态通断时的电压均分，工作原理与实施例一中相似，不再赘述。
在实施例四中，将本发明中的开关器件串联均压电路应用在双向DC-AC电路中，如图9所示，第一开关器件包括场效应管Q1、Q2、Q3、Q4，第二开关器件包括场效应管Q5、Q6、Q7、Q8，相邻第一开关器件之间设有3个第一串联节点，相邻第二开关器件之间设有3个第二串联节点，则相应的辅助均压电容Ca设置有三个，用于实现场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8动态通断时的电压均分，工作原理与实施例一中相似，不再赘述。
在实施例五中，将本发明中的开关器件串联均压电路应用在Boost DC-DC中，如图10所示，第一开关器件包括功率二极管D5、D6、D7，第二开关器件包括绝缘栅双极型晶体管S1、S2、S3。相邻第一开关器件之间设有2个第一串联节点，相邻第二开关器件之间设有2个第二串联节点，则相应的辅助均压电容Ca设置有2个，用于实现功率二极管D5、D6、D7和绝缘栅双极型晶体管S1、S2、S3动态通断时的电压均分，工作原理与实施例一中相似，不再赘述。
优选的，辅助均压电容Ca的容量与储能电感L1的电流幅值、上桥臂1中各第一开关器件之间的最大通断时间差或下桥臂2中各第二开关器件之间的最大通断时间差之间满足预设限制公式，预设限制公式配置为：
其中，
用于表示辅助均压电容的容量；
具体地，本实施例中，上桥臂1中各第一开关器件之间的最大通断时间差或下桥臂2中各第二开关器件之间的最大通断时间差、储能电感L1的最大电流幅值均根据预先测得的实际数据进行计算得到的。本技术方案通过对辅助均压电容Ca的容量进行配置，能够实现在上桥臂1中的各第一开关器件或下桥臂2中的各第二开关器件通断时间差达到最大且储能电感L1上的电流幅值达到最大时，仍能保证辅助均压电容Ca对上桥臂1中的各第一开关器件以及下桥臂2中的各第二开关器件之间的实现稳定均压，进而提升了开关器件串联均压电路的动态均压能力。
优选的，直流电路3的正极输出端与负极输出端之间还连接有输入滤波电容Cd1，输入滤波电容Cd1的正极连接直流电路3的正极输出端，输入滤波电容Cd1的负极连接直流电路3的负极输出端。
具体地，本实施例中，通过在直流电路3与开关桥臂之间设置输入滤波电容Cd1，实现了对开关桥臂的电压进行钳位，避免过压损坏。
优选的，在实施例五中，如图10所示，中间节点与上桥臂1的正极之间还连接有第四续流二极管D2，第四续流二极管D2的阳极连接中间节点，第四续流二极管D2的阴极连接上桥臂1的正极。
优选的，绝缘栅双极型晶体管反向并联有续流二极管。
具体地，在实施例五中，当储能电感L1断流时，会产生反电动势，电感能量通过功率二极管D5、D6、D7和第四续流二极管D2反向续流输出到电容Ca中，对电容Ca进行充电，避免反电动势烧坏绝缘栅双极型晶体管，确保本技术方案的安全性。
优选的，第一开关器件和第二开关器件由半导体或化合物半导体材料制成。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种开关器件串联均压电路，其特征在于，包括：
开关桥臂，关于自身的桥臂正极与桥臂负极之间的中间节点对称划分为互相串联的上桥臂1和下桥臂2，所述上桥臂1包括至少两个互相串联的第一开关器件，所述下桥臂2包括至少两个互相串联的第二开关器件，相邻两个所述第一开关器件之间设有第一串联节点，相邻两个所述第二开关器件之间设有第二串联节点，各所述第一开关器件和各所述第二开关器件均并联有一均压电阻；
直流电路3，所述直流电路3的正极输出端连接所述开关桥臂的正极，所述直流电路3的负极输出端连接所述开关桥臂的负极；
至少一辅助均压电容Ca，正极和负极分别连接关于所述中间节点对称的所述第一串联节点和所述第二串联节点；
储能电感L1，一端连接所述中间节点，另一端连接其它电路。
2.根据权利要求1所述的开关器件串联均压电路，其特征在于：所述第一开关器件和所述第二开关器件包括半控型电力电子器件、全控型电力电子器件或功率二极管；其中所述全控型电力电子器件包括场效应管、绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或功率静电感应晶体管。
3.根据权利要求2的所述开关器件串联均压电路，其特征在于：还包括驱动电路，所述驱动电路为原副边隔离的变压器，所述变压器的副边包括若干隔离输出绕组，各所述隔离输出绕组连接所述全控型电力电子器件的控制极。
4.根据权利要求1所述的开关器件串联均压电路，其特征在于：所述辅助均压电容Ca的容量与所述储能电感L1的电流幅值、所述上桥臂1中各所述第一开关器件之间的最大通断时间差或所述下桥臂2中各所述第二开关器件之间的最大通断时间差之间满足预设限制公式，所述预设限制公式配置为：
其中，
用于表示所述辅助均压电容的容量；
5.根据权利要求2所述的开关器件串联均压电路，其特征在于：所述绝缘栅双极型晶体管反向并联有续流二极管。
6.根据权利要求1所述的开关器件串联均压电路，其特征在于：所述中间节点与所述下桥臂2的负极之间还连接有第三续流二极管D1，所述第三续流二极管D1的阳极连接所述下桥臂2的负极，所述第三续流二极管D1的阴极连接所述中间节点。
7.根据权利要求1所述的开关器件串联均压电路，其特征在于：所述直流电路3的正极与负极之间还连接有输入滤波电容Cd1。
8.根据权利要求1所述的开关器件串联均压电路，其特征在于：所述中间节点与所述上桥臂1的正极之间还连接有第四续流二极管D2，所述第四续流二极管D2的阳极连接所述中间节点，所述第四续流二极管D2的阴极连接所述上桥臂1的正极。
9.根据权利要求1所述的开关器件串联均压电路，其特征在于：所述第一开关器件和所述第二开关器件由半导体或化合物半导体材料制成。
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