CN108063552A - 母线电压降压电路、降压方法和变频电路 - Google Patents

母线电压降压电路、降压方法和变频电路 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种母线电压降压电路、降压方法和变频电路，涉及电路领域。该电路包括：第一开关器件；第二开关器件，与第一开关器件连接；驱动电路，被配置为控制第一开关器件和第二开关器件交替导通；储能电路，被配置为在第一开关器件导通、第二开关器件关断的情况下被母线电源施加直流母线电压，其中，母线电源向负载输出直流母线电压，以及在第一开关器件关断、第二开关器件导通的情况下，通过单向导通电路进行续流。本公开通过控制第一开关器件和第二开关器件交替导通，能够达到使直流母线电压降压的目的，并且该电路结构简单，成本低廉。

Description

母线电压降压电路、降压方法和变频电路
技术领域
本公开涉及电路领域，尤其涉及一种母线电压降压电路、降压方法和变频电路。
背景技术
变频主板的驱动方案主要为电源经过整流为直流，再通过逆变器逆变为频率可变的交流，进而驱动压缩机或者风机，但是，三相电经过三相整流之后，整流之后出来的直流母线电压会很高，如：三相380V电压整流之后变为540V DC(direct current，直流电)，这样的话，逆变所需要的逆变器耐压值由于考虑降额以及余量的要求，就会选到一个很高的耐压值，一般三相整流之后我们所选逆变器耐压基本为1200V耐压，而耐压值越高的逆变器，价格越高，导致整个设备的成本会很高。
发明内容
本公开要解决的一个技术问题是一种母线电压降压电路、降压方法和变频电路，能够使直流母线电压降压。
根据本公开一方面，提出一种母线电压降压电路，包括：第一开关器件；第二开关器件，与第一开关器件连接；驱动电路，被配置为控制第一开关器件和第二开关器件交替导通；储能电路，被配置为在第一开关器件导通、第二开关器件关断的情况下被母线电源施加直流母线电压，其中，母线电源向负载输出直流母线电压，以及在第一开关器件关断、第二开关器件导通的情况下，通过单向导通电路进行续流。
可选地，第一开关器件的第一电极与母线电源第一端连接；第二开关器件的第一电极与第一开关器件的第二电极连接，第二开关器件的第二电极与母线电源第二端连接；驱动电路分别与第一开关器件的控制电极和第二开关器件的控制电极连接；单向导通电路的第一端与第一开关器件的第二电极连接，单向导通电路的第二端与第二开关器件的第二电极连接；储能电路的第一端与单向导通电路的第一端连接，储能电路的第二端与单向导通电路的第二端连接。
可选地，单向导通电路为续流二极管，其中，续流二极管的正极与第二开关器件的第二电极连接，续流二极管的负极与第一开关器件的第二电极连接。
可选地，储能电路包括：储能电感，储能电感的第一端与续流二极管的负极连接；母线电容，母线电容的第一端与储能电感的第二端连接，母线电容的第二端与续流二极管的正极连接。
可选地，驱动电路包括：自举电路，自举电路输出端与驱动芯片供压端连接；驱动芯片，驱动芯片的第一信号输入端接收第一脉冲宽度调制PWM波，驱动芯片的第二信号输入端接收第二PWM波，驱动芯片的第一输出端与第一开关器件的控制电极连接，驱动芯片的第二输出端与第二开关器件的控制电极连接；其中，第一PWM波和第二PWM波的相位相差180度。
可选地，自举电路包括：自举二极管，自举二极管的正极用于连接开关电源；自举电阻，自举电阻的第一端与自举二极管的负极连接，自举电阻的第二端与驱动芯片的第一供压端连接；自举电容，自举电容的第一端与自举电阻的第二端连接，自举电容的第二端与驱动芯片的第二供压端连接。
可选地，在第二开关器件导通的情况下，开关电源向自举电容充电；在第二开关器件关断的情况下，自举电容向第一开关器件提供导通电压。
可选地，第一开关器件和第二开关器件为开关晶体管。
可选地，开关晶体管为绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
根据本公开的另一方面，还提出一种变频电路，包括上述的母线电压降压电路。
根据本公开的另一方面，还提出一种如上述的母线电压降压电路的降压方法，包括：控制第一开关器件和第二开关器件交替导通；在第一开关器件导通、第二开关器件关断时，储能电路被母线电源施加直流母线电压，其中，母线电源向负载输出直流母线电压；在第一开关器件关断、第二开关器件导通时，储能电路通过单向导通电路续流。
本公开通过驱动电路控制第一开关器件和第二开关器件交替导通，能够达到使直流母线电压降压的目的，并且该电路结构简单，成本低廉。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1为本公开母线电压降压电路的一个实施例的结构示意图。
图2为本公开母线电压降压电路的另一个实施例的结构示意图。
图3为本公开母线电压降压电路的再一个实施例的结构示意图。
图4为本公开变频电路的一个实施例的结构示意图。
图5为本公开母线电压降压电路的降压方法的一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为本公开母线电压降压电路的一个实施例的结构示意图。该母线电压降压电路包括第一开关器件110、第二开关器件120、驱动电路130、储能电路140和单向导通电路150。
第一开关器件110与第二开关器件120连接，其中，第一开关器件110和第二开关器件120可以为开关晶体管，具体可以为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)。其中，第一开关器件110的第一电极与母线电源第一端连接，第二开关器件120的第一电极与第一开关器件110的第二电极连接，第二开关器件120的第二电极与母线电源第二端连接。
驱动电路130被配置为控制第一开关器件110和第二开关器件120交替导通，其中，驱动电路130分别与第一开关器件110的控制电极和第二开关器件120的控制电极连接。在第一时刻，驱动电路130控制第一开关器件110导通、第二开关器件120关断；在第二时刻，驱动电路130控制第一开关器件110关断、第二开关器件120导通。
储能电路140被配置为在第一开关器件110导通、第二开关器件120关断的情况下被母线电源施加直流母线电压，其中，母线电源向负载输出直流母线电压，储能电路140在第一开关器件110关断、第二开关器件120导通的情况下通过单向导通电路150续流。其中，单向导通电路150可以为续流二极管，单向导通电路150的第一端与第一开关器件110的第二电极连接，第二端与第二开关器件120的第二电极连接，储能电路140的第一端与单向导通电路150的第一端连接，第二端与单向导通电路150的第二端连接。
在第一开关器件110导通、第二开关器件120关断时，母线电源向负载供电，此时负载电压等于直流母线电压，负载上的电流按指数曲线上升，其中，直流母线电压即为三相整流后得到的电压。在第一开关器件110关断、第二开关器件120导通时，储能电路140通过单向导通电路150续流，此时，负载电压近似为零，负载电流也会呈指数曲线下降，此时一个工作周期结束。当再次驱动第一开关器件110导通时，则重复上个周期过程，在电路工作在一个稳定稳定状态的时候，负载电流在一个周期的初始值和最终值相等，其负载电压的平均值为:
其中，E为直流母线电压，ton为第一开关器件110导通的时间，toff为第一开关器件110关断的时间，T为总的开关周期，α为导通的占空比，U为输出到负载的电压平均值，通过上式可知，输出到负载的电压平均值与占空比有关，减小占空比，则电压就会降低，以此来达到降压的目的。
在该实施例中，通过驱动电路控制第一开关器件和第二开关器件交替导通，能够达到使直流母线电压降压的目的，并且该电路结构简单，成本低廉。
图2为本公开母线电压降压电路的另一个实施例的结构示意图。该实施例中第一开关器件和第二开关器件以IGBT为例进行说明，该母线电压降压电路包括第一IGBT V1，第二IGBT V2，驱动电路2，续流二极管D2，储能电感L1和母线电容C2，其中，储能电感L1和母线电容C2构成储能电路。
第一IGBT V1的漏极与母线电源的正向端连接，第一IGBT V1的源极与第二IGBTV2的漏极连接，第二IGBT V2的源极与母线电源的负向端连接，即接地。第一IGBT V1和第二IGBT V2的栅极与驱动电路2连接。
在一个实施例中，如图3所示，驱动电路2可以包括自举电路21和驱动芯片22，其中，自举电路21输出端与驱动芯片22供压端连接，驱动芯片22的第一信号输入端接收第一PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)波，驱动芯片22的第二信号输入端接收第二PWM波，驱动芯片22的第一输出端与第一IGBT V1的栅极连接，驱动芯片22的第二输出端与第二IGBT V2的栅极连接；其中，第一PWM波和第二PWM波的相位相差180度。
自举电路21可以包括自举二极管D1、自举电阻R1和自举电容C1，其中，自举二极管D1的正极用于连接开关电源连接，自举电阻R1的第一端与自举二极管D1的负极连接，自举电阻R1的第二端与驱动芯片22的第一供压端连接，自举电容C1的第一端与自举电阻的第二端连接，自举电容的第二端与驱动芯片22的第二供压端连接。
续流二极管D2的正极与第二IGBT V2的源极连接，负极与第一IGBT V1的源极连接。储能电感L1的第一端与续流二极管D2的负极连接。母线电容C2的第一端与储能电感L1的第二端连接，母线电容C2的第二端与续流二极管D2的正极连接。其中，母线电容C2的第一端和第二端还可以接负载。
在上述实施例中，通过第一PWM波和第二PWM波控制第一IGBT V1、第二IGBT V2的通断，首先，需要保证第二IGBT V2导通，其目的是先为图中的自举电路21进行充电。此时，第一IGBT V1关断，电流路径从开关电源出来经过自举二极管D1，自举电阻R1，流过自举电容C1，通过第二IGBT V2流回大地来为自举电容C1充电，其中，开关电源例如为15V电源。下一时刻自举电容C1充满电之后，断开第二IGBT V2，同时给第一IGBT V1导通信号，此时第一IGBT V1的源极电压为直流母线电压，而电容两端电压不能突变，所以这时电容两端的15V就被建立在母线之上，因此第一IGBT V1导通，母线电源为负载供电，负载电流上升。下一时刻第二IGBT V2导通，重复上个过程，自举工作，同时负载电流继续通过续流二极管D2续流，电流呈指数下降，重复上个周期过程就会得到上文中所提公式中输出电压大小。减小占空比，即减小第一IGBT V1所导通的时间，即可减小输出电压的大小。
在该实施例中，续流二极管D2在第一IGBT关断时给电感中电流提供续流通道，由于第一IGBT未接地，因此，在导通时需要通过自举电路使得第一IGBT的栅源极之差满足导通条件，该实施例通过两个IGBT的通断来达到降压的目的，该母线电压降压电路结构简单、器件少、不需要单独开发一块板，直接板载到主板上即可，并且需要的空间很小。
在一个实施例中，第一IGBT V1是该母线电压降压电路的主要元器件之一，其选型主要考虑其耐压和电流限制的大小，一般取值为电路正常运行时电流的额定值的1.5倍以上，而且由于第一IGBT V1与主电路即逆变器中的IGBT的控制端不共地，因此对于第一IGBTV1的控制需要隔离，栅极信号需要自举来进行供电，所以第二IGBT V2是为第一IGBT V1自举充电提供回路；图中自举二极管D1、自举电阻R1、自举电容C1组成自举电路，其中自举二极管D1在选型时要保证足够的反向耐压，即第二IGBT V2关断时，要保证15V与强电(例如540V)之间的隔离，由于自举充电时会有很大的峰值电流，因此使用自举电阻R1来限制充电电流，其次自举电容C1容量的选择应该足够大，应保证第一IGBT V1导通时15V的稳定；图中续流二极管D2同样要考虑到隔离要求，因为当第一IGBT V1导通时，续流二极管D2阴极为母线电压，阳极为地，因此要考虑其反向耐压的要求，保证其不被击穿；储能电感L1作为降压电路的储能器件，是在第一IGBT V1关断时为负载提供能量，因此其电感量尽量选择大一些。
图4为本公开变频电路的一个实施例的结构示意图。该变频电路包括上述的母线电压降压电路，还包括IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)，其中，IPM中可以包括六个IGBT，作为降压电路的负载使用，也可以对降压后的直流母线电压进行逆变，其中，其输出的三相电可以连接电机、交流压缩机等设备。
在该实施例中，通过控制第一IGBT的导通时间，即可降低直流母线电压，从而可以选择耐压值较低的IPM，大大降低了成本，并且可靠性较高。
图5为本公开母线电压降压电路的降压方法的一个实施例的流程示意图。其中，可以通过驱动电路控制第一开关器件和第二开关器件交替导通。
在步骤510，在第一开关器件导通、第二开关器件关断时，储能电路被母线电源施加直流母线电压，其中，母线电源向负载输出直流母线电压。此时负载电压等于直流母线电压，负载上的电流按指数曲线上升，其中，直流母线电压即为三相整流后得到的电压。
在步骤520，在第一开关器件关断、第二开关器件导通时，储能电路通过单向导通电路续流。其中，单向导通电路可以为续流二极管。此时，负载电压近似为零，负载电流也会呈指数曲线下降，此时一个工作周期结束。
当再次驱动第一开关器件导通时，则重复上个周期过程，在电路工作在一个稳定稳定状态的时候，负载电流在一个周期的初始值和最终值相等，其负载电压的平均值为:
其中，E为直流母线电压，ton为第一开关器件导通的时间，toff为第一开关器件关断的时间，T为总的开关周期，α为导通的占空比，U为输出到负载的电压平均值，通过上式可知，输出到负载的电压平均值与占空比有关，减小占空比，则电压就会降低，以此来达到降压的目的。
在该实施例中，通过控制第一开关器件和第二开关器件交替导通，能够达到直流母线电压降压的目的。
至此，已经详细描述了本公开。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
可能以许多方式来实现本公开的方法以及装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本公开的方法以及装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本公开的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本公开实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本公开的方法的机器可读指令。因而，本公开还覆盖存储用于执行根据本公开的方法的程序的记录介质。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种母线电压降压电路，包括：
第一开关器件；
第二开关器件，与所述第一开关器件连接；
驱动电路，被配置为控制所述第一开关器件和所述第二开关器件交替导通；
储能电路，被配置为在所述第一开关器件导通、所述第二开关器件关断的情况下被母线电源施加直流母线电压，其中，所述母线电源向负载输出直流母线电压，以及在所述第一开关器件关断、所述第二开关器件导通的情况下，通过单向导通电路进行续流。
2.根据权利要求1所述的母线电压降压电路，其中，
所述第一开关器件的第一电极与母线电源第一端连接；
所述第二开关器件的第一电极与所述第一开关器件的第二电极连接，所述第二开关器件的第二电极与母线电源第二端连接；
所述驱动电路分别与所述第一开关器件的控制电极和所述第二开关器件的控制电极连接；
所述单向导通电路的第一端与所述第一开关器件的第二电极连接，所述单向导通电路的第二端与所述第二开关器件的第二电极连接；
所述储能电路的第一端与所述单向导通电路的第一端连接，所述储能电路的第二端与所述单向导通电路的第二端连接。
3.根据权利要求2所述的母线电压降压电路，所述单向导通电路为续流二极管，其中，
所述续流二极管的正极与所述第二开关器件的第二电极连接，所述续流二极管的负极与所述第一开关器件的第二电极连接。
4.根据权利要求3所述的母线电压降压电路，所述储能电路包括：
储能电感，所述储能电感的第一端与所述续流二极管的负极连接；
母线电容，所述母线电容的第一端与所述储能电感的第二端连接，所述母线电容的第二端与所述续流二极管的正极连接。
5.根据权利要求2所述的母线电压降压电路，所述驱动电路包括：
自举电路，所述自举电路输出端与驱动芯片供压端连接；
驱动芯片，所述驱动芯片的第一信号输入端接收第一脉冲宽度调制PWM波，所述驱动芯片的第二信号输入端接收第二PWM波，所述驱动芯片的第一输出端与所述第一开关器件的控制电极连接，所述驱动芯片的第二输出端与所述第二开关器件的控制电极连接；
其中，所述第一PWM波和所述第二PWM波的相位相差180度。
6.根据权利要求5所述的母线电压降压电路，所述自举电路包括：
自举二极管，所述自举二极管的正极用于连接开关电源；
自举电阻，所述自举电阻的第一端与所述自举二极管的负极连接，所述自举电阻的第二端与所述驱动芯片的第一供压端连接；
自举电容，所述自举电容的第一端与所述自举电阻的第二端连接，所述自举电容的第二端与所述驱动芯片的第二供压端连接。
7.根据权利要求6所述的母线电压降压电路，其中，
在所述第二开关器件导通的情况下，开关电源向所述自举电容充电；
在所述第二开关器件关断的情况下，所述自举电容向所述第一开关器件提供导通电压。
8.根据权利要求1-7任一所述的母线电压降压电路，其中，
所述第一开关器件和所述第二开关器件为开关晶体管。
9.根据权利要求8所述的母线电压降压电路，其中，
所述开关晶体管为绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
10.一种变频电路，包括权利要求1-9任一所述的母线电压降压电路。
11.一种如权利要求1-9任一所述的母线电压降压电路的降压方法，包括：
控制第一开关器件和第二开关器件交替导通；
其中，在所述第一开关器件导通、所述第二开关器件关断时，储能电路被母线电源施加直流母线电压，其中，所述母线电源向负载输出直流母线电压；
在所述第一开关器件关断、所述第二开关器件导通时，所述储能电路通过单向导通电路续流。
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