CN105406747A - 一种npc三电平内管无损均压钳位电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NPC三电平内管无损均压钳位电路，包括由IGBT、二极管、电容和电阻构成结构对称的工频上半周和工频下半周，IGBT包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT，其中，第一IGBT和第二IGBT处于工频上半周，第三IGBT和第四IGBT处于工频下半周，第一IGBT和第四IGBT分别连接于母线；当第二IGBT导通，第一IGBT处于瞬间开通状态时，第三IGBT关断，第三IGBT和第四IGBT承受全部母线电压Vin；当第二IGBT导通，第一IGBT处于关断状态时，工频上半周或/和工频下半周中均有一个二极管和一个IGBT导通形成零电平。本发明能够动态钳位两个内管，使其不超过母线电压的一半的+10%，达到无损抑制内管关断电压尖峰的目的。

Description

一种NPC三电平内管无损均压钳位电路
技术领域
本发明属于电力电子三电平逆变钳位保护技术领域，尤其设计一种三电平两内管的钳位电路。
背景技术
现有NPC三电平电路只有两只外管Q1、Q4做了钳位保护，它是利用内外管参数比较一致的情况下两只外管先关断先承受更多的反压，而两只内管后关断，内管自然比外管承受更小的电压应力所以无须钳位保护，但在实际运行中内外管的参数总有差异、特别随着设备的运行、器件的老化，这种差异会越来越大，以至于没有做钳位保护的内管在关断时出现异常的电压尖峰，严重时这个关断的电压尖峰达到IGBT管的击穿电压，造成IGBT击穿，从而烧毁整个IGBT模块。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种NPC三电平内管无损均压钳位电路，解决了NPC三电平电路内管无钳位保护的缺陷，增加产品的可靠性。当NPC三电平电路内外管参数有较大差异时，动态钳位两个内管，使其不超过母线电压的一半的+10%，达到无损抑制内管关断电压尖峰的目的。
本发明采用的技术方案如下：
一种NPC三电平内管无损均压钳位电路，包括由IGBT、二极管、电容和电阻构成结构对称的工频上半周和工频下半周，IGBT包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT，其中，第一IGBT和第二IGBT处于工频上半周，第三IGBT和第四IGBT处于工频下半周，第一IGBT和第四IGBT分别连接于母线；工频上半周和工频下半周中还包括共用两个电容的“内管关断尖峰电压吸收电路”、“能量无损回馈回路”和“初始预充电电路”；当第二IGBT导通，第一IGBT处于瞬间开通状态时，第三IGBT关断，第三IGBT和第四IGBT承受全部母线电压Vin；当第二IGBT导通，第一IGBT处于关断状态时，工频上半周或/和工频下半周中均有一个二极管和一个IGBT导通形成零电平。
进一步的，内管关断尖峰电压吸收电路由工频上半周的二极管七D7、电容三C3与工频下半周的电容四C4和二极管九D9串联构成；二极管八D8、电容三C3、电容四C4和二极管十D10串联构成能量无损回馈回路；电阻一R1、电容三C3、电容四C4和电阻二R2串联构成初始预充电电路；
进一步的，工频上半周具体包括连接于母线输入端一的电容一C1，母线输入端一还连接有第一IGBT、二极管一D1、二极管八D8和电阻一R1，具体的，第一IGBT通过其集电极C与母线高电平端BUS+相连，二极管一D1和二极管八D8均通过其负极与母线输入端一相连；电容一C1的自由端还依次连接有二极管五D5和二极管七D7，具体的，二极管五D5和二极管七D7同向，且二极管五D5通过其正极与电容一C1的自由端相连；第一IGBT的发射极E和二极管一D1的正极均连接于二极管五D5和二极管七D7之间，形成第一IGBT、二极管一D1、二极管五D5和二极管七D7的公共端A1，二极管八D8的正极和电阻一的自由端均连接于二极管七D7的负极，形成二极管七D7、二极管八D8和电阻一R1的公共端B1；公共端A1还连接有二极管二D2和第二IGBT，具体的，第二IGBT通过其集电极C与第一IGBT的发射极E相连，二极管二D2通过其负极连接于公共端A1；公共端B1还连接有电容三C3，电容三C3的自由端与第二IGBT的发射极E和二极管二D2的正极接在一起，形成第二IGBT、二极管二D2和电容三C3的公共端P1；
工频下半周具体包括连接于母线输入端二的电容二C2，且电容二C2与电容一C1连接，电容一C1与电容二C2之间为ZERO端；母线输入端二还连接有第四IGBT、二极管四D4、二极管十D10和电阻二R2，具体的，第四IGBT通过其发射极E与母线输入端二相连，二极管四D4和二极管十D10均通过其正极与母线输入端二相连；电容二C2与电容一C1的公共端还依次连接有二极管六D6和二极管九D9，具体的，二极管六D6和二极管九D9同向，且二极管六D6通过其负极连接于电容二C2与电容一C1之间；第四IGBT的集电极C和二极管四D4的负极均连接于二极管六D6和二极管九D9之间，形成第四IGBT、二极管四D4、二极管六D6和二极管九D9的公共端A2，二极管十D10的负极和电阻二的另一端均连接于二极管九D9的负极，形成二极管九D9、二极管十D10和电阻二R2的公共端B2；公共端A2还连接有二极管三D3和第三IGBT，具体的，第三IGBT通过其发射极E与第四IGBT的集电极C相连，二极管三D3通过其正极连接于公共端A2；公共端B2还连接有电容四C4，电容四C4的自由端与第三IGBT的集电极C和二极管三D3的负极接在一起，形成第三IGBT、二极管三D3和电容四C4的公共端P2；公共端P1和公共端P2接在一起形成输出端（OUTX）。
综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用对称的工频上半周和工频下半周，而工频上半周和工频下半周仅由IGBT、二极管、电容和电阻构成上述的内管关断尖峰电压吸收电路、能量无损回馈回路和初始预充电电路，能够有效地解决NPC三电平桥臂两内管钳位均压的问题，提高NPC三电平电路应用的可靠性。NPC三电平电路内外管参数有较大差异时，动态钳位两个内管，使其不超过母线电压的一半的+10%，达到无损抑制内管关断电压尖峰的目的。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的原理图；
图2是本发明的内管钳位吸收原理图；
图3是本发明的吸收电容无损回馈原理图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
如图1所示：本发明的一种NPC三电平内管无损均压钳位电路，本实施例中，包括连接于母线高电平端BUS+（母线输入端一）的电容一C1，母线高电平端BUS+还连接有第一IGBT（Q1）、二极管一D1、二极管八D8和电阻一R1，具体的，第一IGBT（Q1）通过其集电极C与母线高电平端BUS+相连，二极管一D1和二极管八D8均通过其负极与母线高电平端BUS+相连；电容一C1的低电平端还依次连接有二极管五D5和二极管七D7，具体的，二极管五D5和二极管七D7同向，且二极管五D5通过其正极与电容一C1的低电平端相连；第一IGBT（Q1）的发射极E和二极管一D1的正极均连接于二极管五D5和二极管七D7之间（形成第一IGBT、二极管一D1、二极管五D5和二极管七D7的公共端A1），二极管八D8的正极和电阻一的低电平端均连接于二极管七D7的负极（形成二极管七D7、二极管八D8和电阻一R1的公共端B1）；
第一IGBT（Q1）的发射极E（即公共端A1）还连接有二极管二D2和另一个相同的第二IGBT（Q2），具体的，第二IGBT（Q2）通过其集电极C与第一IGBT（Q1）的发射极E相连，二极管二D2通过其负极连接于公共端A1；公共端B1还连接有电容三C3，电容三C3的低电平端与第二IGBT（Q2）的发射极E和二极管二D2的正极接在一起（形成第二IGBT、二极管二D2和电容三C3的公共端P1）；
上述电路构成本发明的工频上半周，本发明还包括一个工频下半周，且工频下半周的结构与上半周对称。
如图1所示：工频下半周的电路结构如下所述：包括连接于母线低电平端BUS－（母线输入端二）的电容二C2，电容二C2的高电平端连接于电容一C1的低电平端，电容一C1与电容二C2之间为ZERO端；母线高电平端BUS－还连接有第四IGBT（Q4）、二极管四D4、二极管十D10和电阻二R2，具体的，第四IGBT（Q4）通过其发射极E与母线高电平端BUS－相连，二极管四D4和二极管十D10均通过其正极与母线高电平端BUS－相连；电容二C2的高电平端还依次连接有二极管六D6和二极管九D9，具体的，二极管六D6和二极管九D9同向，且二极管六D6通过其负极与电容二C2的高电平端相连；第四IGBT（Q4）的集电极C和二极管四D4的负极均连接于二极管六D6和二极管九D9之间（形成第四IGBT、二极管四D4、二极管六D6和二极管九D9的公共端A2），二极管十D10的负极和电阻二的高电平端均连接于二极管九D9的负极（形成二极管九D9、二极管十D10和电阻二R2的公共端B2）；
第四IGBT（Q4）的集电极（即公共端A2）还连接有二极管三D3和另一个相同的第三IGBT（Q3），具体的，第三IGBT（Q3）通过其发射极E与第四IGBT（Q4）的集电极C相连，二极管三D3通过其正极连接于公共端A2；公共端B2还连接有电容四C4，电容四C4的高电平端与第三IGBT（Q3）的集电极C和二极管三D3的负极接在一起（形成第三IGBT、二极管三D3和电容四C4的公共端P2）；公共端P1和公共端P2接在一起形成输出端（OUTX）。Q1、Q2、Q3和Q4各自的栅极G所连接的电路为控制和驱动电路，（为现有技术，本领域技术人员公知）省略。
参见后面的附图1的虚线框，虚线框包括三部分，第一部分是内管关断尖峰电压吸收电路，内管关断尖峰电压吸收电路包括二极管七D7、二极管九D9和吸收电容（电容三C3、电容四C4）；第二部分是能量无损回馈回路，能量无损回馈回路包括二极管八D8、二极管十D10和吸收电容（电容三C3、电容四C4）；第三部分是初始预充电电路，初始预充电电路包括充电电阻（电阻一R1、电阻二R2）和吸收电容（电容三C3、电容四C4）。
下面结合附图1~3对本发明的基本原理作一简要说明。
工频下半周的结构与上半周对称，电阻一R1、电阻二R2用于启动时给电容三C3、电容四C4预充电，使电容三C3、电容四C4在逆变工作前达到Vin/2电压。电阻一R1、电阻二R2取值较大，工作时功耗较小。对于电阻一R1、电阻二R2等元件的取值，本领域技术人员知道如何选取合适的值，此处不作具体限定。
请参见附图2，上述描述中，内管关断尖峰电压吸收电路可以看成是工频上半周的二极管七D7、电容三C3与工频下半周的电容四C4和二极管九D9串联构成；同理，二极管八D8、、电容三C3、电容四C4和二极管十D10串联构成能量无损回馈回路；电阻一R1、电容三C3、电容四C4和电阻二R2串联构成初始预充电电路。在工频上半周Q2一直导通，当Q1处于瞬间开通时，Q3关断、Q3、Q4承受全部母线电压Vin，如果Q3、Q4的所有动态分布参数一致，Q3、Q4将均分母线电压，但是如果Q3、Q4的动态分布参数不一致，将导致Q3、Q4不能均分母线电压，特别是当Q1的开通速度较快、而布线分布电感LF2（布线分布电感分为布线分布电感LF1和布线分布电感LF2，具体的，布线分布电感LF1处于工频上半周中电容一C1和二极管五D5之间，布线分布电感LF2处于工频下半周中电容二C2和二极管六D6之间）不可忽略时，会在Q3两端产生较高的尖峰电压。应用本发明的电路后，电流从电容四C4、二极管九D9、二极管六D6回路流通，将多余能量储存到电容四C4中，从而成功的抑制了Q3两端的关断尖峰。
请参见附图3，当Q1关断后，Q2仍然导通，负载电流从工频上半周的二极管五D5、Q2和/或工频下半周的Q3、极管六D6流出，二极管五D5、Q2导通和或Q3、极管六D6导通，形成零电平（即OUTX的电位与ZERO端的电位近似相等），电容四C4储存的多余电能就从二极管十D10、Q2、二极管五D5、电容二C2回路，回馈到母线电容二C2中，电容四C4的电压被钳位到Vin/2。
因此，本发明公开的电路能够有效地解决NPC三电平桥臂两内管钳位均压的问题，提高NPC三电平电路应用的可靠性。而且本发明公开的方法和装置已经应用在新设计的APF100谐波补偿设备中应用，效果良好。
本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (3)

1.一种NPC三电平内管无损均压钳位电路，其特征在于，包括由IGBT、二极管、电容和电阻构成结构对称的工频上半周和工频下半周，IGBT包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT，其中，第一IGBT和第二IGBT处于工频上半周，第三IGBT和第四IGBT处于工频下半周，第一IGBT和第四IGBT分别连接于母线；工频上半周和工频下半周中还包括共用两个电容的“内管关断尖峰电压吸收电路”、“能量无损回馈回路”和“初始预充电电路”；当第二IGBT导通，第一IGBT处于瞬间开通状态时，第三IGBT关断，第三IGBT和第四IGBT承受全部母线电压Vin；当第二IGBT导通，第一IGBT处于关断状态时，工频上半周或/和工频下半周中均有一个二极管和一个IGBT导通形成零电平。
2.如权利要求1所述的一种NPC三电平内管无损均压钳位电路，其特征在于，内管关断尖峰电压吸收电路由工频上半周的二极管七D7、电容三C3与工频下半周的电容四C4和二极管九D9串联构成；二极管八D8、电容三C3、电容四C4和二极管十D10串联构成能量无损回馈回路；电阻一R1、电容三C3、电容四C4和电阻二R2串联构成初始预充电电路。
3.如权利要求1所述的一种NPC三电平内管无损均压钳位电路，其特征在于，工频上半周具体包括连接于母线输入端一的电容一C1，母线输入端一还连接有第一IGBT、二极管一D1、二极管八D8和电阻一R1，具体的，第一IGBT通过其集电极C与母线高电平端BUS+相连，二极管一D1和二极管八D8均通过其负极与母线输入端一相连；电容一C1的自由端还依次连接有二极管五D5和二极管七D7，具体的，二极管五D5和二极管七D7同向，且二极管五D5通过其正极与电容一C1的自由端相连；第一IGBT的发射极E和二极管一D1的正极均连接于二极管五D5和二极管七D7之间，形成第一IGBT、二极管一D1、二极管五D5和二极管七D7的公共端A1，二极管八D8的正极和电阻一的自由端均连接于二极管七D7的负极，形成二极管七D7、二极管八D8和电阻一R1的公共端B1；公共端A1还连接有二极管二D2和第二IGBT，具体的，第二IGBT通过其集电极C与第一IGBT的发射极E相连，二极管二D2通过其负极连接于公共端A1；公共端B1还连接有电容三C3，电容三C3的自由端与第二IGBT的发射极E和二极管二D2的正极接在一起，形成第二IGBT、二极管二D2和电容三C3的公共端P1；
工频下半周具体包括连接于母线输入端二的电容二C2，且电容二C2与电容一C1连接，电容一C1与电容二C2之间为ZERO端；母线输入端二还连接有第四IGBT、二极管四D4、二极管十D10和电阻二R2，具体的，第四IGBT通过其发射极E与母线输入端二相连，二极管四D4和二极管十D10均通过其正极与母线输入端二相连；电容二C2与电容一C1的公共端还依次连接有二极管六D6和二极管九D9，具体的，二极管六D6和二极管九D9同向，且二极管六D6通过其负极连接于电容二C2与电容一C1之间；第四IGBT的集电极C和二极管四D4的负极均连接于二极管六D6和二极管九D9之间，形成第四IGBT、二极管四D4、二极管六D6和二极管九D9的公共端A2，二极管十D10的负极和电阻二的另一端均连接于二极管九D9的负极，形成二极管九D9、二极管十D10和电阻二R2的公共端B2；公共端A2还连接有二极管三D3和第三IGBT，具体的，第三IGBT通过其发射极E与第四IGBT的集电极C相连，二极管三D3通过其正极连接于公共端A2；公共端B2还连接有电容四C4，电容四C4的自由端与第三IGBT的集电极C和二极管三D3的负极接在一起，形成第三IGBT、二极管三D3和电容四C4的公共端P2；公共端P1和公共端P2接在一起形成输出端。
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