CN218678871U - 一种功率电路和电器设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种功率电路和电器设备，包括：抑制模块、泄放模块、逆变模块和母线电容；抑制模块与泄放模块并联连接于第一节点和第二节点之间，第一节点连接母线电容的第一端，第二节点连接逆变模块的第一输入端，母线电容的第二端与逆变模块的第二输入端均连接至第三节点，第一节点还用于连接直流母线的第一端，第三节点还用于连接直流母线的第二端；抑制模块用于抑制直流母线对逆变模块中的寄生电容充电时的电流，以及在逆变模块处于死区时间时产生感应电势；泄放模块用于为感应电势提供泄放路径，以使感应电势为母线电容充电。在该功率电路中，通过设置采用抑制模块和泄放模块抑制损耗，可降低逆变模块的损耗，且降低优化难度和成本。

Description

一种功率电路和电器设备

技术领域

本实用新型实施例涉及电子电力技术领域，特别涉及一种功率电路和电器设备。

背景技术

在电机驱动领域，我们通常会使用智能逆变模块(Intelligent Power Module，IPM)驱动电机。

目前，使用IPM模块驱动电机的电路架构如图1所示，交流电源220V输入，通过整流模块10变成直流电并储存在母线电容E，得到稳定的直流电压，再通过控制IPM模块21中的开关管的导通或关断，使IPM模块21可输出相应的三相电压从而驱动电机20。在IPM模块21设计出来时，IPM模块21内部的集成电路、开关管固有的损耗特性就无法改变，如果要降低IPM模块21的整体损耗，通常是通过在晶圆流片工艺或者材料上进行优化，如采用碳化硅、氮化镓等来优化集成电路、开关管的损耗，但这种优化以降低损耗的方式，优化难度高且成本高。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种逆变电路和电器设备，能降低逆变模块的损耗，且降低优化难度和成本。

为解决上述技术问题，本实用新型实施方式采用的一个技术方案是：提供一种功率电路，其特征在于，包括：抑制模块、泄放模块、逆变模块和母线电容；所述抑制模块与所述泄放模块并联连接于第一节点和第二节点之间，所述第一节点连接所述母线电容的第一端，所述第二节点连接所述逆变模块的第一输入端，所述母线电容的第二端与所述逆变模块的第二输入端均连接至第三节点，所述第一节点还用于连接直流母线的第一端，所述第三节点还用于连接所述直流母线的第二端；所述抑制模块用于抑制所述直流母线对所述逆变模块中的寄生电容充电时的电流，以及在所述逆变模块处于死区时间时产生感应电势；所述泄放模块用于为所述感应电势提供泄放路径，以使所述感应电势为所述母线电容充电。

在一些实施例中，所述功率电路还包括电机；所述电机的第一端连接所述逆变模块的第一输出端，所述电机的第二端连接所述逆变模块的第二输出端，所述电机的第三段连接所述逆变模块的第三输出端；所述泄放模块还用于为所述电机刹车或自由旋转时产生的反电动势提供泄放路径，以使所述反电动势为所述母线电容充电。

在一些实施例中，所述功率电路还包括整流模块；所述整流模块的第一输入端用于连接外部电源的第一端，所述整流模块的第二输入端用于连接所述外部电源的第二端，所述整流模块的第一输出端连接所述第一节点，所述整流模块的第二输出端连接所述第三节点。

在一些实施例中，所述整流模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；所述第一二极管的阴极分别连接所述外部电源的第一端和所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极分别连接所述第一节点和所述第四二极管的阴极，所述第四二极管的阳极分别连接所述第三二极管的阴极和所述外部电源的第二端，所述第三二极管的阳极分别连接所述第一二极管的阳极和所述第三节点。

在一些实施例中，所述逆变模块为全桥式逆变模块或半桥式逆变模块。

在一些实施例中，所述逆变模块为单相式逆变模块或三相式逆变模块。

在一些实施例中，所述抑制模块包括电感；所述电感连接在所述第一节点与所述第二节点之间。

在一些实施例中，所述泄放模块包括第五二极管；所述第五二极管的阳极连接所述第二节点，所述第五二极管的阴极连接所述第一节点。

在一些实施例中，所述功率电路还包括控制模块；所述控制模块连接所述逆变模块，所述控制模块用于控制所述逆变模块的导通或关断，以使所述逆变模块将直流电转变成交流电。

第二方面，本实用新型实施例提供一种电器设备，该电器设备包括：如第一方面任意一项所述的功率电路。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型提供一种功率电路和电器设备，包括：抑制模块、泄放模块、逆变模块和母线电容；抑制模块与泄放模块并联连接于第一节点和第二节点之间，第一节点连接母线电容的第一端，第二节点连接逆变模块的第一输入端，母线电容的第二端与逆变模块的第二输入端均连接至第三节点，第一节点还用于连接直流母线的第一端，第三节点还用于连接直流母线的第二端；抑制模块用于抑制直流母线对逆变模块中的寄生电容充电时的电流，以及在逆变模块处于死区时间时产生感应电势；泄放模块用于为感应电势提供泄放路径，以使感应电势为母线电容充电。在该功率电路中，通过设置采用抑制模块和泄放模块抑制损耗，可降低逆变模块的损耗，且降低优化难度和成本。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是现有技术中提供的一种功率电路的结构框图；

图2是本实用新型实施例提供的一种功率电路的结构框图；

图3是本实用新型实施例提供的另一种功率电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

第一方面，本实用新型实施例提供一种功率电路，该功率电路包括：逆变模块30、抑制模块40、泄放模块50、和母线电容E。抑制模块40与泄放模块50并联连接于第一节点A1和第二节点A2之间，第一节点A1连接母线电容E的第一端，第二节点A2连接逆变模块30的第一输入端，母线电容E的第二端与逆变模块30的第二输入端均连接至第三节点A3，第一节点A1还用于连接直流母线的第一端，第三节点A3还用于连接直流母线的第二端。抑制模块40用于抑制直流母线对逆变模块30中的寄生电容充电时的电流，以及在逆变模块30处于死区时间时产生感应电势。泄放模块50用于为感应电势提供泄放路径，以使所述感应电势为母线电容E充电。

其中，母线电容E为电解电容。逆变模块30为智能逆变功率模块，请参阅图3，其包括功率单元31和驱动单元32，功率单元31包括至少两条并联的桥臂支路，每条桥臂支路包括至少一个开关管，通过控制各桥臂支路的开关管的导通或关断，可将直流母线的直流电转变成交流电输出。

开关管可以是金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件、集成栅极换向晶闸管(Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT)器件、栅极可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor，GTO)器件、可控硅(Silicon ControlledRectifier，SCR)器件、结栅场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)器件、MOS控制晶闸管(Mos Controlled GTO，MCT)器件、氮化镓(GaN)基功率器件、碳化硅(SiC)基功率器件等，或者，还可以是他一切合适的可控开关。在该开关管上，具有至少一个寄生电容。具体的，该逆变模块30中的开关管为IGBT时，其寄生电容有门极与集电极之间的寄生电容、门极与发射极之间的寄生电容、集电极与发射极之间的寄生电容，其中，集电极与发射极之间的寄生电容的容值最大，如图3所示，对于第一开关管Q1，其寄生电容有门极与集电极之间的寄生电容Cgc1、门极与发射极之间的寄生电容Cge1、集电极与发射极之间的寄生电容Cce1。

在该功率电路中，当驱动逆变模块30中的开关管导通或关断时，直流母线上的电能会对未导通的开关管的寄生电容进行充电。而逆变模块30中的损耗功率主要来自寄生电容损耗，该电容损耗功率等于电压乘以电流，可以理解的是，在该功率电路中，充电电压即为直流母线的第一端与直流母线的第二端之间的电压差，而该电压差大小是固定的，然而，在该功率电路中，抑制模块40会抑制此时的充电电流，可降低寄生电容的损耗，从而可降低逆变模块30中的损耗。另外，当逆变模块30处于死区时间时，即逆变模块30中的开关管均刚关断时，抑制模块40会产生感应电势，并且，该感应电势通过泄放模块50进行泄放，从而可为母线电容E进行充电，这样通过母线电容E吸收逆变模块30在死区时间所产生的感应电势，以防止因产生的感应电势过大而形成瞬间浪涌电压对连接电路中的器件造成损坏，从而提高电路的工作可靠性和安全性。

可见，在该功率电路中，通过采用抑制模块40和泄放模块50，可降低逆变模块30的损耗，而且相比于采用优化材料的方式，本实施例不需要考虑逆变模块30中的任何参数特性，通过设置抑制模块40和泄放模块50抑制损耗，降低逆变模块30的结温，提高逆变模块30的可靠性，且降低优化难度和成本。

在其中一些实施例中，请参阅图3，功率电路还包括电机20；电机20的第一端连接逆变模块30的第一输出端，电机20的第二端连接逆变模块30的第二输出端，电机20的第三端连接逆变模块30的第三输出端。泄放模块50还用于为电机20刹车或自由旋转时产生的反电动势提供泄放路径，以使反电动势为母线电容E充电。其中，请参阅图3，电机20的等效电容分别为线间电容Cuv、Cvw、Cuw，相线层间电容Cun、Cvn、Cwn，刹车是指电机20根据外部指令进行快速制动，自由旋转是指电机20的转子旋转至任意一个角度。在电机20刹车或自由旋转时，电机20会产生反电动势，其在直流母线上会引起瞬时浪涌电压，而通过设置泄放模块50，可将该浪涌电压泄放至母线电容E，使母线电容E吸收因电机20刹车或自由旋转引起的瞬时浪涌电压，从而有效地避免浪涌电压对电机20以及与其连接的逆变模块30造成的冲击，提高逆变模块30的可靠性和安全性。

在其中一些实施例中，请参阅图3，功率电路还包括整流模块10。整流模块10的第一输入端用于连接外部电源100的第一端，整流模块10的第二输入端用于连接外部电源100的第二端，整流模块10的第一输出端连接第一节点A1，整流模块10的第二输出端连接第三节点A3。其中，外部电源100为交流电源，整流模块10能将交流电转为直流电。

具体的，在其中一些实施例中，请参阅图3，整流模块10包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4。第一二极管D1的阴极分别连接外部电源100的第一端和第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极分别连接第一节点A1和第四二极管D4的阴极，第四二极管D4的阳极分别连接第三二极管D3的阴极和外部电源100的第二端，第三二极管D3的阳极分别连接第一二极管D1的阳极和第三节点A3。在本实施例中，通过设置桥接的四个二极管，能将交流电转变成直流电，实际应用中，整流模块10的具体电路结构还可以为现有技术中其他一切合适的电路结构。

在其中一些实施例中，逆变模块30为全桥式逆变模块或半桥式逆变模块。

在其中一些实施例中，逆变模块30为单相式逆变模块或三相式逆变模块。

具体的，请参阅图3，该逆变模块30为全桥式逆变模块、且为三相式逆变模块。该逆变模块30包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6；其中，第一开关管Q1与第四开关管Q4串联连接于第二节点A2和第三节点A3之间，第二开关管Q2与第五开关管Q5串联连接于第二节点A2和第三节点A3之间，第三开关管Q3与第六开关管Q6串联连接于第二节点A2和第三节点A3之间，第一开关管Q1与第四开关管Q4的连接点连接电机20的第一端，第二开关管Q2与第五开关管Q5的连接点连接电机20的第二端，第三开关管Q3与第六开关管Q6的连接点连接电机20的第三端，在本实施例中，通过控制各开关管的导通与关断，可将直流电转变为交流电输出。实际应用中，逆变模块30还可以为现有技术中一切合适的逆变电路结构。

在其中一些实施例中，抑制模块40包括电感L。电感L连接在第一节点A1与第二节点A2之间。

在其中一些实施例中，泄放模块50包括第五二极管D5。第五二极管D5的阳极连接第二节点A2，第五二极管D5的阴极连接第一节点A1。

在其中一些实施例中，功率电路还包括控制模块；控制模块连接逆变模块30，控制模块用于控制逆变模块30的导通或关断，以使逆变模块30将直流电转变成交流电。其中，控制模块可为STM16、STM32或其他一起合适的微处理控制器。具体的，控制模块可连接驱动单元32，通过输出控制信号至驱动单元32，从而使驱动单元32控制功率单元31的导通或关断。其中，控制信号可为PWM信号。

下面结合图3所示的实施例详细阐述本实用新型实施例提供的功率电路的具体工作过程。其中，外部电源100为220V交流电源。母线电容E的第一端为正极，第二端为负极。

首先，交流电源220V输入至整流模块10后，转变成直流电并储存在母线电容E，得到稳定的直流电压，再由控制模块输出PWM信号，控制驱动单元31驱动开关管，从而使逆变模块30输出相应的三相电压驱动电机20。

在该功率电路中，各寄生电容和等效电容的损耗功率等于电压与电流的乘积，而直流母线的电压无法改变，但通过电感L抑制电流的大小，从而可降低损耗功率。

另外，具体的，在逆变模块30驱动电机20时，为防止第一开关管Q1和第四开关管Q4直通，会有错开导通的死区时间，通常是1-3微秒，即第一开关管Q1和第四开关管Q4不会同时直通。这样，当第一开关管Q1打开时第四开关管Q4处于关断状态，此时，母线电容E的电源会对第四开关管Q4的寄生电容充电，电感L会抑制充电电流同时会产生感应电势，此时感应电势在电感L的一脚1为正，二脚2为负。等到死区时间时，第一开关管Q1和第四开关管Q4均关闭，此时，感应电势在电感L的2脚为正，1脚为负，通过第五二极管D5漏放电感L的能量，使母线电容E吸收感应电势，避免因感应电势过高，击穿开关管。反之，第四开关管Q4打开时第一开关管Q1处于关闭状态时，此时，母线电容E的电源会对第一开关管Q1的寄生电容充电，电感L会抑制充电电流同时会产生感应电势，此时电感的1脚为正，2脚为负。对于逆变模块30的其他桥臂的开关管也是如此，在此不再赘述。

此外，当电机20刹车或者自由旋转时，电机20的反电动势在直流母线上产生的浪涌瞬时电压也会通过第五二极管D5快速充电到母线电容E，使母线电容E吸收感应电势。

可见，在该功率电路中，通过电感L可抑制逆变模块30的寄生电容和电机20等效电容的充电电流，从而减少IPM整体损耗，同时通过第五二极管D5泄放电感的感应电势，使母线电容E吸收感应电势，可避免电压过高损坏逆变模块30。

第二方面，本实用新型实施例提供一种电器设备，该电器设备包括：如第一方面任意一项所述的功率电路。在本实施例中，功率电路具有如与第一方面任意一项所述的功率电路相同的结构与功能，在此不再赘述。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种功率电路，其特征在于，包括：抑制模块、泄放模块、逆变模块和母线电容；

所述抑制模块与所述泄放模块并联连接于第一节点和第二节点之间，所述第一节点连接所述母线电容的第一端，所述第二节点连接所述逆变模块的第一输入端，所述母线电容的第二端与所述逆变模块的第二输入端均连接至第三节点，所述第一节点还用于连接直流母线的第一端，所述第三节点还用于连接所述直流母线的第二端；

所述抑制模块用于抑制所述直流母线对所述逆变模块中的寄生电容充电时的电流，以及在所述逆变模块处于死区时间时产生感应电势；

所述泄放模块用于为所述感应电势提供泄放路径，以使所述感应电势为所述母线电容充电。

2.根据权利要求1所述的功率电路，其特征在于，所述功率电路还包括电机；

所述电机的第一端连接所述逆变模块的第一输出端，所述电机的第二端连接所述逆变模块的第二输出端，所述电机的第三端连接所述逆变模块的第三输出端；

所述泄放模块还用于为所述电机刹车或自由旋转时产生的反电动势提供泄放路径，以使所述反电动势为所述母线电容充电。

3.根据权利要求2所述的功率电路，其特征在于，所述功率电路还包括整流模块；

所述整流模块的第一输入端用于连接外部电源的第一端，所述整流模块的第二输入端用于连接所述外部电源的第二端，所述整流模块的第一输出端连接所述第一节点，所述整流模块的第二输出端连接所述第三节点。

4.根据权利要求3所述的功率电路，其特征在于，所述整流模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

所述第一二极管的阴极分别连接所述外部电源的第一端和所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极分别连接所述第一节点和所述第四二极管的阴极，所述第四二极管的阳极分别连接所述第三二极管的阴极和所述外部电源的第二端，所述第三二极管的阳极分别连接所述第一二极管的阳极和所述第三节点。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的功率电路，其特征在于，所述逆变模块为全桥式逆变模块或半桥式逆变模块。

6.根据权利要求5所述的功率电路，其特征在于，所述逆变模块为单相式逆变模块或三相式逆变模块。

7.根据权利要求6所述的功率电路，其特征在于，所述抑制模块包括电感；

所述电感连接在所述第一节点与所述第二节点之间。

8.根据权利要求7所述的功率电路，其特征在于，所述泄放模块包括第五二极管；

所述第五二极管的阳极连接所述第二节点，所述第五二极管的阴极连接所述第一节点。

9.根据权利要求8所述的功率电路，其特征在于，所述功率电路还包括控制模块；

所述控制模块连接所述逆变模块，所述控制模块用于控制所述逆变模块的导通或关断，以使所述逆变模块将直流电转变成交流电。

10.一种电器设备，其特征在于，包括：如权利要求1-9任意一项所述的功率电路。

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