CN201994842U - 一种直流母线软启动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流母线软启动电路，包括交流输入电缆、整流电路以及限流电阻，其中所述限流电阻串联在所述交流输入电缆与所述整流电路之间。本实用新型的直流母线软启动电路解决现有的直流母线软启动电路在交流输入电压上电瞬间整流器件损坏风险，提高软启动电路的可靠性；可降低整流器件反向电压，使在高压应用场合，软启动电路的整流器件选型更为容易，成本更低；本实用新型的直流母线软启动电路工作过程中整流器件的最大电流与最大反向电压不在同一个工作时区中出现，减小整流器件开关损耗，提高整流器件的可靠性；本实用新型的软启动电路相对于传统软启动电路，可以不增加任何器件，使传统软启动电路升级换代更为简单。

Description

一种直流母线软启动电路

技术领域

本实用新型涉及电路控制领域，更具体地说，涉及一种直流母线软启动电路。

背景技术

通常情况下，容性直流母线都需要一个软启动电路给其充电，达到直流母线电压平缓增加的目的。如果没有使用软启动充电电路，直接给容性直流母线上电，在上电瞬间，可以用一个阶跃电压源直接加在一个零初始条件的电容两端的电路等效分析。在阶跃电压源输入条件下，容性直流母线的容抗很小，电路中必然会产生一个很大的冲击电流。这个冲击电流很有可能就会造成电路中开关等器件的损坏，甚至导致容性直流母线的损坏。容性直流母线的电容量越大造成这种故障的风险越大。因此，绝大数情况下，我们都会使用一个软启动电路给容性直流母线平滑充电。

目前直流母线常用的软启动电路拓扑如图1、如图2所示。采用单相整流或者三相整流方式将输入交流电压整流成直流，再在直流母线电容输入前端串入限流电阻的方式构成容性直流母线的软启动电路。传统软启动电路的特点是：交流输入电压经过整流，变为直流后再串入母线电容限流电阻。

使用传统母线软启动电路，常常会遇到整流器件在刚开机瞬间即损坏的故障现象。通常采用选取更高等级的整流器件解决这种故障。有人选取2到3倍输入电压等级的整流器桥或其他整流器件，甚至有人选取3倍以上整流器件，造成成本的增加。在容性直流母线高压应用场合，选用高电压等级整流器件解决方案变得更加困难。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的直流母线软启动电路开机时整流器件容易被阶跃电压条件下，电路寄生参数谐振产生的高压击穿损坏或需选用高成本的整流器件的缺陷，提供一种防止整流器件在交流输入电压上电瞬间损坏、可提高软启动电路可靠性的直流母线软启动电路。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种直流母线软启动电路，包括交流输入电缆、整流电路以及限流电阻，其中所述限流电阻串联在所述交流输入电缆与所述整流电路之间。

在本实用新型所述的直流母线软启动电路中，所述交流输入电缆为单向交流电压输入电缆。

在本实用新型所述的直流母线软启动电路中，所述交流输入电缆为三相交流电压输入电缆。

在本实用新型所述的直流母线软启动电路中，在所述三相交流电压输入电缆与所述整流电路之间的三相通路中至少两相串联有所述限流电阻。

在本实用新型所述的直流母线软启动电路中，所述整流电路为由二极管构成的桥式整流电路。

在本实用新型所述的直流母线软启动电路中，所述交流输入电缆和所述整流电路之间设置有交流熔丝。

在本实用新型所述的直流母线软启动电路中，所述整流电路和所述直流母线软启动电路的负载之间设置有直流熔丝。

本实用新型还涉及一种直流母线软启动电路，包括交流输入电缆、整流电路以及限流电阻，其中所述限流电阻串联在所述交流输入电缆与所述整流电路之间，所述交流输入电缆为单向交流电压输入电缆，所述整流电路为由二极管构成的桥式整流电路；所述交流输入电缆和所述整流电路之间设置有交流熔丝；所述整流电路和所述直流母线软启动电路的负载之间设置有直流熔丝。

本实用新型还涉及一种直流母线软启动电路，包括交流输入电缆、整流电路以及限流电阻，其中所述交流输入电缆为三相交流电压输入电缆，在所述三相交流电压输入电缆与所述整流电路之间的三相通路中至少两相串联有限流电阻；所述整流电路为由二极管构成的桥式整流电路；所述交流输入电缆和所述整流电路之间设置有交流熔丝；所述整流电路和所述直流母线软启动电路的负载之间设置有直流熔丝。

实施本实用新型的直流母线软启动电路，具有以下有益效果：解决现有的直流母线软启动电路在交流输入电压上电瞬间整流器件损坏风险，提高软启动电路的可靠性；可降低整流器件反向电压，使在高压应用场合，软启动电路的整流器件选型更为容易，成本更低；本实用新型的直流母线软启动电路工作过程中整流器件的最大电流与最大反向电压不在同一个工作时区中出现，减小整流器件开关损耗，提高整流器件的可靠性；本实用新型的软启动电路可以不增加任何器件，使传统软启动电路升级换代更为简单。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是现有的直流母线软启动电路的单相整流方式的电路示意图；

图2是现有的直流母线软启动电路的三相整流方式的电路示意图；

图3是现有的直流母线软启动电路的三相整流方式的电路示意图(考虑电路寄生参数)；

图4是现有的直流母线软启动电路的三相整流方式的电流环路分析图(考虑电路寄生参数)；

图5是现有的直流母线软启动电路的三相整流方式的寄生参数谐振回路分析图；

图6是现有的直流母线软启动电路在690V三相交流电压输入工况下，整流二极管的反向电压波形图；

图7是现有的直流母线软启动电路在690V三相交流电压输入工况下，整流二极管的电压电流仿真波形图；

图8是本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例的单相整流方式的电路示意图；

图9是本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例的三相整流方式的电路示意图；

图10是本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例在690V的三相交流电压输入工况下，整流二极管的电压电流仿真波形图；

图11是本实用新型的直流母线软启动电路的另一优选实施例的三相整流方式的电路示意图。

具体实施方式

下面结合图示，对本实用新型的优选实施例作详细介绍。

分析目前常用的传统软启动电路拓扑，考虑电路的寄生参数，可以发现传统软启动电路整流器件的故障原因为交流输入电缆1的寄生电感与整流器件的寄生电容发生串联LC谐振，整流器件反向电压超限，导致其过压击穿损坏。

以输入电压为三相交流电，三相全桥整流为例分析传统软启动电路拓扑失效原因。考虑电路寄生参数后，如图2所示传统软启动电路可以简化为如图3所示的电路拓扑。图中La、Lb、Lc表示交流输入电缆1的寄生电感；Ra、Rb、Rc表示交流输入电缆1的本体电阻；S表示输入开关；D1、D2、D3、D4、D5、D6表示整流二极管；Cd1、Cd2、Cd3、Cd4、Cd5、Cd6表示二极管的寄生电容；Ldc表示整流桥输出到直流母线正负连接电缆的寄生电感；R表示直流母线充电限流电阻；C表示直流母线的电容；RL表示直流母线的负载。

输入开关S闭合瞬间，假设三相输入电缆电压Vab最大，分析传统软启动电路上电瞬间工作过程。上电瞬间其他任意线电压最大情形的工作过程与此相同。如图4所示，粗线条表示线电压Vab最大工况下的传统母线软启动电路给母线充电的电流回路。D1与D6两个二极管导通，输入电压通过限流电阻R给直流母线电容C平滑充电。考虑电路的寄生参数，电路中除图4所示电流回路之外还存在另一个回路，即等效为图5所示电路。输入开关S闭合瞬间，输入电压Vab相当于一个阶跃电压源Vi，La+Lb表示交流输入电缆1的寄生电感；Ra+Rb表示交流输入电缆1的本体电阻，D1与D6因为已经导通，则可以等效为2段纯导线，限流电阻R和直流母线电缆的寄生电感Ldc与直流母线电容C串联后，等效为串联LC谐振的负载Z，构成一个典型的串联LC谐振电路。

圆截面直线导线电缆寄生电感计算公式

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0*\mathrm{lenth}}{2\mathrm{\π}}*(\ln \frac{2*\mathrm{lenth}}{\mathrm{radius}}-0.75)$

其中：L表示导线寄生电感[H]；

μ₀表示真空导磁率，μ₀＝4π*10^-7[H/m]；

Lenth表示圆截面直导线长度[m]；

Radius表示圆截面导线截面半径[m]。

以1m长，截面半径1mm电缆为例，计算可得其寄生电感为1.37uH。可知多数应用场合，交流输入电缆1的寄生电感可达到uH量级。常用整流二极管的寄生电容可达几百pF。如图5所示，寄生电容Cd5与Cd2串联后再与Cd6，Cd4并联使LC串联谐振回路的谐振电容可达到nF量级。电路的寄生电感、电容越大，谐振越容易发生。由串联谐振的谐振频率计算公式

可知，传统软启动电路寄生参数的谐振回路谐振频率在MHz量级，常用开关闭合瞬间，很容易激励起振荡。在LC串联振荡中，品质因数

电容电压为Q倍的输入电压。如图5所示，寄生电容Cd3、Cd4两端电压，为输入交流电压峰值的Q倍。二极管D3、D4反向电压与寄生电容Cd3、Cd4两端电压相等，为输入交流电压峰值的Q倍，很可能就超过其反向击穿电压，导致损坏。如图6所示传统软启动电路在690V三相交流输入，某次上电瞬间二极管反向电压波形，最大值为1650V，接近输入电压峰值的2倍，击穿风险很大。如图7所示的传统软启动电路在690V三相交流输入，假设输入电缆寄生电感1uH，寄生电容3nF，使用Saber仿真得到某种上电瞬间二极管反向电压波形，仿真波形与实际测量波形接近，验证传统软启动电路的整流二极管击穿风险很大。

本实用新型针对现有的直流母线软启动电路整流器件容易在上电瞬间损坏的问题对直流母线软启动电路进行改进。在图8和图9所示的本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例的单相整流方式和三相整流方式的电路示意图中，所述直流母线软启动电路包括交流输入电缆1、整流电路2以及限流电阻R，限流电阻R串联在交流输入电缆1和整流电路2之间，图8采用的交流输入电缆1为单向交流电压输入电缆，图9采用的交流输入电缆1为三相交流电压输入电缆。本实用新型的直流母线软启动电路将限流电阻R串联从直流电压输出侧转移到交流电压输入侧。限流电阻R在交流输入电缆1与整流电路2之间，消除交流输入电压上电瞬间，电路寄生参数产生谐振，达到保护整流器件的目的。

图8所示电路是本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例的单相整流方式的电路示意图。与图1所示单相整流方式下的传统直流母线软启动电路对比，本直流母线软启动电路仅需要将限流电阻R从直流侧直接转移到交流侧，即可实现本实用新型的目的。

图9所示电路是本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例的三相整流方式的电路示意图。与图2所示三相整流方式下的传统直流母线软启动电路对比，本直流母线软启动电路选用阻值与传统直流母线软启动电路直流侧限流电阻R相同，功率为其1/3的小功率电阻，串联在交流侧，即可实现本实用新型的目的。图10为本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例在690V的三相交流电压输入工况下，整流二极管的电压电流仿真波形图，图10所示上方波形为整流二极管反向电压波形，最高电压为输入电压峰值；下方波形为通过整流二极管电流波形，最大电流为输入电压峰值与限流电阻R的商。从波形可以看出，不存在类似传统软启动电路上电瞬间因电路寄生参数导致的谐振问题，通过整流二极管电流比较大时，其反向电压较小；整流二极管反向电压比较大时，通过其电流比较小，整个电路的工作过程中整流器件的最大电流和最大反向电压不在同一时区中出现，以此达到减小本直流母线软启动电路的整流二极管开关冲击压力，减小整流器件开关损耗，提高整流器件的可靠性。

本实用新型的直流母线软启动电路解决了以下的问题：

1、提供一种直流母线软启动电路拓扑，达到给直流母线平滑充电目的。

2、提供一种直流母线软启动电路拓扑，解决传统直流母线软启动电路上电瞬间，因电路寄生参数振荡造成整流器件损坏问题，提高直流母线软启动电路的可靠性。

3、提供一种直流母线软启动电路拓扑，解决高压直流母线应用场合，传统直流母线软启动电路选型困难，使设计简单化，成本更优化。

4、构造一种直流母线软启动电路拓扑，包括交流输入连接电缆、常规整流器件以及限流电阻R。特点是将限流电阻R串联在交流输入电缆与整流器件之间，消除交流输入电压上电瞬间，交流输入电缆1的寄生电感与整流器件寄生电容产生的振荡，达到保护整流器件的目的。

作为本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例，在所述三相交流电压输入电缆与所述整流电路2之间的三相通路中至少两相串联有所述限流电阻R。由于采用三相整流方式时，任何时候三相中都有两相通路在同时工作，因此本直流母线软启动电路采用三相整流方式时最少只需要两相通路将限流电阻R串联在交流输入电缆1和整流电路2之间即可达到本实用新型保护整流器件的目的。

作为本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例，所述整流电路2为由二极管构成的桥式整流电路。本实用新型还可适用于通过集成二极管的IGBT半导体模块构成桥式整流电路，用户可以根据需要选择合适的器件例如二极管、集成二极管的IGBT或其它集成二极管的半导体器件组成的桥式整流电路实施本实用新型的直流母线软启动电路。

作为本实用新型的直流母线软启动电路的优选实施例，所述交流输入电缆1和所述整流电路2之间设置有交流熔丝。所述整流电路2和所述直流母线软启动电路的负载之间设置有直流熔丝。根据不同输入交流电压的情况，本直流母线软启动电路的交流侧和直流侧可分别设置交流熔丝和直流熔丝以达到防止电路电流过大、保护电路中器件的作用。

本实用新型还涉及一种直流母线软启动电路，包括交流输入电缆1、整流电路2以及限流电阻R，其中所述限流电阻R串联在所述交流输入电缆1与所述整流电路2之间，所述交流输入电缆1为单向交流电压输入电缆，所述整流电路2为由二极管构成的桥式整流电路；所述交流输入电缆1和所述整流电路2之间设置有交流熔丝；所述整流电路2和所述直流母线软启动电路的负载之间设置有直流熔丝。本直流母线软启动电路的具体实施方式和有益效果与上述的母线软启动电路相同或相似，具体参见上述直流母线软启动电路的具体实施例。

本实用新型还涉及一种直流母线软启动电路，包括交流输入电缆1、整流电路2以及限流电阻R，其中所述交流输入电缆1为三相交流电压输入电缆，在所述三相交流电压输入电缆与所述整流电路2之间的三相通路中至少两相串联有限流电阻R；所述整流电路2为由二极管构成的桥式整流电路；所述交流输入电缆1和所述整流电路2之间设置有交流熔丝；所述整流电路2和所述直流母线软启动电路的负载之间设置有直流熔丝。本直流母线软启动电路的具体实施方式和有益效果与上述的母线软启动电路相同或相似，具体参见上述直流母线软启动电路的具体实施例。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种直流母线软启动电路，包括交流输入电缆(1)、整流电路(2)以及限流电阻R，其特征在于，所述限流电阻R串联在所述交流输入电缆(1)与所述整流电路(2)之间。

2.根据权利要求1所述的直流母线软启动电路，其特征在于，所述交流输入电缆(1)为单向交流电压输入电缆。

3.根据权利要求1所述的直流母线软启动电路，其特征在于，所述交流输入电缆(1)为三相交流电压输入电缆。

4.根据权利要求3所述的直流母线软启动电路，其特征在于，在所述三相交流电压输入电缆与所述整流电路(2)之间的三相通路中至少两相串联有所述限流电阻R。

5.根据权利要求1所述的直流母线软启动电路，其特征在于，所述整流电路(2)为由二极管构成的桥式整流电路。

6.根据权利要求1所述的直流母线软启动电路，其特征在于，所述交流输入电缆(1)和所述整流电路(2)之间设置有交流熔丝。

7.根据权利要求1所述的直流母线软启动电路，其特征在于，所述整流电路(2)和所述直流母线软启动电路的负载之间设置有直流熔丝。

8.一种直流母线软启动电路，包括交流输入电缆(1)、整流电路(2)以及限流电阻R，其特征在于，所述限流电阻R串联在所述交流输入电缆(1)与所述整流电路(2)之间，所述交流输入电缆(1)为单向交流电压输入电缆，所述整流电路(2)为由二极管构成的桥式整流电路；所述交流输入电缆(1)和所述整流电路(2)之间设置有交流熔丝；所述整流电路(2)和所述直流母线软启动电路的负载之间设置有直流熔丝。

9.一种直流母线软启动电路，包括交流输入电缆(1)、整流电路(2)以及限流电阻R，其特征在于，所述交流输入电缆(1)为三相交流电压输入电缆，在所述三相交流电压输入电缆与所述整流电路(2)之间的三相通路中至少两相串联有限流电阻R；所述整流电路(2)为由二极管构成的桥式整流电路；所述交流输入电缆(1)和所述整流电路(2)之间设置有交流熔丝；所述整流电路(2)和所述直流母线软启动电路的负载之间设置有直流熔丝。

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