CN108736753A - 具有制动电阻连接的逆变器电路 - Google Patents

具有制动电阻连接的逆变器电路 Download PDF

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威廉·吉翁特
大卫·米肖
丹·伊萨克松
安德烈亚斯·多克塔尔
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Abstract

一种电路，包括用于连接到DC链路的正电压的第一电力节点、用于连接到DC链路的负电压的第二电力节点和用于连接到DC链路的中点电压的中点电力节点，该电路进一步包括三电平中性点钳位转换器模块和制动电阻连接。

Description

具有制动电阻连接的逆变器电路
技术领域
本发明涉及用于逆变器的制动单元(或制动斩波器)。
背景技术
图1是包括可调速驱动器(ASD)的***的框图，该***总体上由附图标记1指示。***1包括AC电源2、ASD 4和负载6(例如电动机)。ASD 4包括整流器8(通常为基于二极管的整流器，如图1所示，尽管替换方案例如高级前端整流器是大家熟知的)、DC链路电容器10、逆变器12和控制模块14。
AC电源2的输出连接到整流器8的输入。整流器8的输出为逆变器12提供DC电力。进一步如下所述，逆变器12包括用于将DC电压转换为AC电压的切换模块，AC电压的频率和相位取决于门控制信号。门控制信号通常由控制模块14提供。以这种方式，每个输入到负载6的频率和相位均能被控制。
逆变器12通常与控制模块14进行双向通信。逆变器12可以监控与负载6的三路连接(假设驱动的是三相负载)中的每一路连接的电流和电压，并且可以向控制模块14提供电流和电压数据(然而使用电流传感器和电压传感器并不是绝对必要的)。控制模块14可以利用电流和/或电压数据(可获得的)来生成为按照预期操作负载所需要的门控制信号；另一种布局是通过得出的电压和切换型式来估算电流——还存在其他的控制布局。
诸如***1的***所具有的普遍问题是负载6在某些情况下可以充当发电机。这种情况下，逆变器12可以将能量反馈给DC链路10，使得DC链路电压上升。制动斩波器(或制动单元)是一种可以用于消耗DC链路处的能量以降低DC链路电压的电路。本发明寻求提供现有制动斩波器/制动单元电路的替代方案。
附图说明
现在将参考下面的简图进一步详细地描述本发明，其中：
图1是驱动负载的现有变频器***的框图；
图2示出了包括制动斩波器电路的逆变器***；
图3示出了可以用于图2的逆变器***的单相三电平逆变器电路；
图4示出了可以用于图2的逆变器***的三相三电平逆变器电路；
图5示出了制动斩波器电路；
图6是示出图5的制动斩波器电路的切换状态的表格；以及
图7示出了用于制动斩波器电路的控制布局。
具体实施方式
图2示出了包括连接到DC链路的正电压(DC+)的第一电力节点、连接到DC链路的负电压(DC-)的第二电力节点和用于连接到DC链路的中点电压的中点电力节点(即所谓的“中性点”(NP))的逆变器***，该逆变器***总体上由附图标记20指示。第一DC链路电容器21设置在正DC链路电压和中性点之间；第二DC链路电压设置在负DC链路电压和中性点之间。***20进一步包括逆变器24。逆变器的输出可以耦接到负载(例如图1所示的负载6)。
***还包括与***20的第一电力节点、第二电力节点和中点电力节点相连接的制动斩波器电路26。制动电阻28设置在制动斩波器单元26的输出和中点电力节点NP之间。
通过经由制动斩波器电路26将制动电阻28与第一电力节点相连接，可以使第一DC链路电容器21放电。同样地，通过经由制动斩波器电路26将制动电阻28与第二电力节点相连接，可以使第二DC链路电容器22放电。通过断开与制动电阻28的连接，使制动电路26不起作用。因此，制动斩波器电路26可以用于使第一DC链路电容器和第二DC链路电容器在它们中任意一个的电压变得非常大时放电。
图3是示例性三电平中性点逆变器电路的电路原理图，该电路总体上由附图标记30指示。逆变器30可以被用作上述逆变器***20的逆变器24。实际上，逆变器30包括上述正DC链路电压(DC+)、负DC链路电压(DC-)、中性点(NP)、第一DC链路电容器21和第二DC链路电容器22。
三电平逆变器30包括串联连接的四个功率半导体开关(标记为Q1到Q4)，每个功率半导体开关具有第一节点、第二节点和耦接在第一节点和第二节点之间的反向并联的二极管。如图3所示，第一功率半导体开关(Q1)的第一节点连接到第一电力节点(DC+)，其他功率半导体开关(Q2至Q4)中的每一个的第一节点连接到串联的下一个半导体开关的第二节点。串联的第二功率半导体开关(Q2)的第二节点提供逆变器的输出。串联的第四功率半导体开关(Q4)的第二节点连接到第二电力节点(DC-)。
逆变器30还包括串联连接的两个内部二极管(D5、D6)，连接在第二半导体开关(Q2)的第一节点和中点电力节点(NP)之间的第一二极管和连接在中点电力节点(NP)和第三功率半导体开关(Q3)的第二节点之间的第二二极管(D6)。
如本领域所熟知的，可以对开关Q1至Q4进行设置，以将输出(图3中的相U)设置为三电平中的任意一个，进而实现单相三电平逆变器电路。
逆变器***20的逆变器24可以采用其他的形式。例如，图4是示例性三相三电平中性点逆变器电路的电路原理图，该电路总体上由附图标记40指示。逆变器40可以被用作上述逆变器***20的逆变器24。与上述逆变器一样，逆变器40包括上述正DC链路电压(DC+)、负DC链路电压(DC-)、中性点(NP)、第一DC链路电容器21和第二DC链路电容器22。
如图4所示，逆变器电路40包括三个并联布置的单相逆变器电路(具有图3所示的形式)。如本领域所熟知的，可以对并联的逆变器中的每一个的开关Q1至Q4进行设置，以将输出(图4中的相U、相V和相W)设置为三电平中的任意一个，进而实现三相三电平逆变器电路。
图5示出了可以被用于实现上述制动斩波器电路26的制动斩波器电路，该制动斩波器电路总体上以附图标记50指示。与上述逆变器***20一样，制动斩波器电路50包括正DC链路电压(DC+)、负DC链路电压(DC-)和中性点(NP)。制动斩波器电路30包括上述第一DC链路电容器21、第二DC链路电容器22和制动电阻28。制动电阻28连接在三电平中性点钳位转换器模块的输出和中点电力节点之间。
制动斩波器电路50的三电平中性点钳位转换器模块具有连接到第一电力节点的第一输入、连接到第二电力节点的第二输入、和连接到中点电力节点的中性点、和输出。制动斩波器电路50还包括串联连接的四个功率半导体开关(标记为Q1到Q4)，每个功率半导体开关具有第一节点、第二节点和耦接在第一节点和第二节点之间的反向并联的二极管。
如图5所示，第一功率半导体开关(Q1)的第一节点连接到第一电力节点(DC+)，其他功率半导体开关(Q2至Q4)中的每一个的第一节点连接到串联的下一个半导体开关的第二节点。串联的第二功率半导体开关(Q2)的第二节点连接到中性点钳位转换器的输出(并且因此连接到制动电阻28的一侧)。串联的第四功率半导体开关(Q4)的第二节点连接到第二电力节点(DC-)。
制动斩波器电路50还包括串联连接的两个内部二极管(D5、D6)，连接在第二半导体开关(Q2)的第一节点和中点电力节点(NP)之间的第一二极管和连接在中点电力节点(NP)和第三功率半导体开关(Q3)的第二节点之间的第二二极管(D6)。
因此，可以看出制动斩波器模块包括与上面参考图3和图4所描述的逆变器模块相同的基础电路。
图6是示出图4的转换器模块的切换状态的表格。
在PWM状态+1，开关Q1和Q2为导通(on)(即开关闭合)，开关Q3和Q4为断开(off)(即开关打开)。该状态中，上面的电容器21经由制动电阻28连接到中性点NP。因此，上面的电容器21在PWM状态+1中放电。
相反地，在PWM状态-1，开关Q1和Q2为断开(off)(即开关打开)，开关Q3和Q4为导通(on)(即开关闭合)。该状态中，下面的电容器22经由制动电阻连接到中性点NP。因此，下面的电容器22在PWM状态-1中放电。
在PWM状态0，开关Q2和Q3为导通(on)(开关闭合)，开关Q1和Q4为断开(off)(开关打开)。该状态中，借助打开开关Q1使电容器21与制动电阻28断开连接，借助打开开关Q4使电容器22与制动电阻28断开连接。因此，在PWM状态0，电容器都不放电。
当在PWM状态0与PWM状态1之间转换时(以任何方向)，开关Q2为导通(on)(开关闭合)且其他开关(包括Q1)为断开(off)(开关打开)。因此，与PWM状态一样，借助打开开关Q1使电容器21与制动电阻28断开连接，借助打开开关Q4使电容器22与制动电阻28断开连接。因此，电容器都不放电。
同样地，当在PWM状态0与PWM状态-1之间转换时(以任何方向)，开关Q3为导通(on)(开关闭合)且其他开关(包括Q1)为断开(off)(开关打开)。因此，与PWM状态一样，借助打开开关Q1使电容器21与制动电阻28断开连接，借助打开开关Q4使电容器22与制动电阻28断开连接。因此，电容器都不放电。
再次参考图2。在单相***中，电路24和电路26可以是相同的。这可以提供简单的元件并允许电路块被重复使用。这在一些实施中是具有吸引力的。因此，尽管制动斩波器50的功能可以用简单的两个晶体管的解决方案来替换，但是本文中所描述的四个晶体管的解决方案在一些实施中可以更加便利。
同样地，在三相***中，制动斩波器电路26与并联布置以组成逆变器电路24的块是相同的。
图7示出了用于控制制动斩波器电路的控制电路，例如控制上述制动斩波器电路50，该控制电路总体上由附图标记70指示。控制电路70包括第一模块72、第二模块74、第三模块76和第四模块78。
控制电路70的第一模块72具有第一输入udc，并且输出第一切换频率信号F*sw到第三模块76。如绘图73所示，第一模块72根据DC链路电压(Udc)来将第一切换频率信号F*sw设置在下限(Fsw0)和上限(Fsw1)之间。具体地，如果DC链路电压等于或低于第一阈值水平(Vth0)，则将第一切换频率信号F*sw设置为下限(Fsw0)，如果DC链路电压等于或高于第二阈值水平(Vth1)，则将第一切换频率信号F*sw设置为上限(Fsw1)。如果DC链路电压在第一阈值和第二阈值之间，则将第一切换频率信号F*sw设置为在上限和下限之间按比例增减。可以利用查找表(LUT)由第一输入Udc生成第一切换频率信号F*sw。
控制电路70的第二模块74具有第一输入Tj，max，并且输出最大切换频率信号Fsw，max到第三模块76。第一输入Tj，max是被控制的制动斩波器电路的切换模块中IGBT的结温的测量值。如绘图75所示，第二模块74根据检测到的IGBT的结温Tj，max，将最大切换频率Fsw，max设置在上述下限(Fsw0)和上限(Fsw1)之间。具体地，如果IGBT的结温等于或低于第一阈值水平(Tj，3)，则将最大切换频率信号设置为上限(Fsw1)，如果IGBT的结温等于或高于第二阈值水平(Vj，4)，则将最大切换频率信号设置为下限(Fsw0)。如果IGBT的结温在第一阈值和第二阈值之间，则将最大切换频率信号Fsw，max设置为在上限和下限之间按比例增减。可以利用查找表(LUT)由第一输入生成最大切换频率信号。
第三模块76接收由第一模块72输出的第一切换频率信号(F*sw)和由第二模块74输出的最大切换频率信号(Fsw，max)并输出切换频率信号(Fsw)。第三模块输出的切换频率信号(Fsw)只是受制于由第二模块74输出的最大切换频率信号(Fsw，max)所提供的上限的由第一模块72输出的第一切换频率信号(F*sw)。
以这种方式，制动斩波器电路的切换频率可以跟随***的DC链路电压的增加而增加(以使得当DC链路比较高时，制动斩波器更迅速地降低DC链路)。但是，同时，如果IGBT的结温上升到高水平，切换频率就会被限制(因为在这种情况下允许切换频率上升可能会有损坏制动斩波器电路的IGBT的危险)。
如图6所示，第三模块输出的切换频率信号(Fsw)作为控制电路70的输出提供，并且还作为控制控制电路70的第四模块78的输入提供。
控制电路70的第四模块78输出比例增益信号ksw作为控制电路70的输出。比例增益信号决定本发明的制动斩波器电路的响应速度。如绘图79所示，第四模块78根据切换频率信号(Fsw)将比例增益信号ksw设置在下限(1)和上限(Fsw1/Fsw0)之间。具体地，如果切换频率信号(Fsw)等于或低于下限(Fsw0)，则将比例增益设置为下限(1)，如果切换频率信号(Fsw)等于或高于上限(Fsw1)，则将比例增益设置为上限(Fsw1/Fsw0)。如果切换频率信号在上限和下限之间，则将比例增益被设置为在上限和下限之间按比例增减。可以利用查找表(LUT)由第一输入生成比例增益。
上述本发明的实施例仅作为示例提供。技术人员将理解的是，在未脱离本发明的范围的情况下可以对其修改、变更和替换。本发明的权利要求旨在涵盖落入本发明的精神和范围内的所有这些修改、变更和替换。

Claims (20)

1.一种电路，包括：
用于连接到DC链路的正电压的第一电力节点；
用于连接到DC链路的负电压的第二电力节点；
用于连接到DC链路的中点电压的中点电力节点；
三电平中性点钳位逆变器，具有连接到所述第一电力节点的第一输入、连接到所述第二电力节点的第二输入、连接到所述中点电力节点的中性点和输出；
三电平中性点钳位转换器模块，具有连接到所述第一电力节点的第一输入、连接到所述第二电力节点的第二输入、连接到所述中点电力节点的中性点和输出；以及
连接在所述三电平中性点钳位转换器模块的输出和所述中点电力节点之间的制动电阻。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述三电平中性点钳位转换器模块包括串联连接的第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关，每个功率半导体开关具有第一节点、第二节点和耦接在所述第一节点和所述第二节点之间的反向并联的二极管，其中：
所述串联连接的第一功率半导体开关的第一节点连接到所述第一电力节点；
所述串联连接的第二功率半导体开关的第一节点连接到所述第一功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第三功率半导体开关的第一节点连接到所述第二功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第四功率半导体开关的第一节点连接到所述第三功率半导体开关的第二节点；
所述串联的第二功率半导体开关的第二节点连接到所述中性点钳位转换器的输出；以及
所述串联的第四功率半导体开关的第二节点连接到所述第二电力节点。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述中性点钳位转换器进一步包括串联连接的内部二极管，所述串联连接的第一二极管连接在多个功率半导体开关中的第二功率功率半导体开关的第一节点和所述中点电力节点之间，所述串联连接的第二二极管连接在所述中点电力节点和串联连接的第三功率半导体开关的第二节点之间。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述三电平中性点钳位转换器为制动斩波器模块。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述中性点钳位逆变器包括串联连接的第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关，每个功率半导体开关具有第一节点、第二节点和耦接在所述第一节点和所述第二节点之间的反向并联的二极管，其中：
所述串联连接的第一功率半导体开关的第一节点连接到所述第一电力节点；
所述串联连接的第二功率半导体开关的第一节点连接到所述第一功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第三功率半导体开关的第一节点连接到所述第二功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第四功率半导体开关的第一节点连接到所述第三功率半导体开关的第二节点；
所述串联的第二功率半导体开关的第二节点连接到所述中性点钳位逆变器的输出；以及
所述串联的第四功率半导体开关的第二节点连接到所述第二电力节点。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述中性点钳位逆变器进一步包括串联连接的内部二极管，所述串联连接的第一二极管连接在多个功率半导体开关中的第二半导体开关的第一节点和所述中点电力节点之间，所述串联连接的第二二极管连接在所述中点电力节点和串联连接的第三功率半导体开关的第二节点之间。
7.根据权利要求1所述的电路，进一步包括连接在所述第一电力节点和所述中点电力节点之间的第一DC链路电容器和连接在所述中点电力节点和所述第二电力节点之间的第二DC链路电容器。
8.根据权利要求1所述的电路，进一步包括连接在所述三电平中性点钳位转换器模块的输出和所述中点电力节点之间的制动电阻。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括被配置为针对所述三电平中性点钳位逆变器模块和/或所述三电平中性点转换器模块提供切换信号的控制模块。
10.一种包括三电平中性点钳位逆变器的制动斩波器电路，所述三电平中性点钳位逆变器具有连接到第一电力节点的第一输入、连接到第二电力节点的第二输入、连接到中点电力节点的中性点和输出，其中，所述三电平中性点钳位转换器模块包括：
连接到所述第一电力节点的第一输入；
连接到所述第二电力节点的第二输入；
连接到所述中点电力节点的中性点；
输出；以及
连接在所述三电平中性点钳位转换器模块的输出和所述中点电力节点之间的制动电阻。
11.根据权利要求10所述的电路，进一步包括连接在所述三电平中性点钳位转换器模块的输出和所述中点电力节点之间的制动电阻。
12.根据权利要求2所述的电路，其中，所述三电平中性点钳位转换器为制动斩波器模块。
13.根据权利要求3所述的电路，其中，所述三电平中性点钳位转换器为制动斩波器模块。
14.根据权利要求2所述的电路，其中，所述中性点钳位逆变器包括串联连接的第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关，每个功率半导体开关具有第一节点、第二节点和耦接在所述第一节点和所述第二节点之间的反向并联的二极管，其中：
所述串联连接的第一功率半导体开关的第一节点连接到所述第一电力节点；
所述串联连接的第二功率半导体开关的第一节点连接到所述第一功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第三功率半导体开关的第一节点连接到所述第二功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第四功率半导体开关的第一节点连接到所述第三功率半导体开关的第二节点；
所述串联的第二功率半导体开关的第二节点连接到所述中性点钳位逆变器的输出；以及
所述串联的第四功率半导体开关的第二节点连接到所述第二电力节点。
15.根据权利要求3所述的电路，其中，所述中性点钳位逆变器包括串联连接的第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关，每个功率半导体开关具有第一节点、第二节点和耦接在所述第一节点和所述第二节点之间的反向并联的二极管，其中：
所述串联连接的第一功率半导体开关的第一节点连接到所述第一电力节点；
所述串联连接的第二功率半导体开关的第一节点连接到所述第一功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第三功率半导体开关的第一节点连接到所述第二功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第四功率半导体开关的第一节点连接到所述第三功率半导体开关的第二节点；
所述串联的第二功率半导体开关的第二节点连接到所述中性点钳位逆变器的输出；以及
所述串联的第四功率半导体开关的第二节点连接到所述第二电力节点。
16.根据权利要求4所述的电路，其中，所述中性点钳位逆变器包括串联连接的第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关，每个功率半导体开关具有第一节点、第二节点和耦接在所述第一节点和所述第二节点之间的反向并联的二极管，其中：
所述串联连接的第一功率半导体开关的第一节点连接到所述第一电力节点；
所述串联连接的第二功率半导体开关的第一节点连接到所述第一功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第三功率半导体开关的第一节点连接到所述第二功率半导体开关的第二节点；
所述串联连接的第四功率半导体开关的第一节点连接到所述第三功率半导体开关的第二节点；
所述串联的第二功率半导体开关的第二节点连接到所述中性点钳位逆变器的输出；以及
所述串联的第四功率半导体开关的第二节点连接到所述第二电力节点。
17.根据权利要求2所述的电路，进一步包括连接在所述第一电力节点和所述中点电力节点之间的第一DC链路电容器和连接在所述中点电力节点和所述第二电力节点之间的第二DC链路电容器。
18.根据权利要求3所述的电路，进一步包括连接在所述第一电力节点和所述中点电力节点之间的第一DC链路电容器和连接在所述中点电力节点和所述第二电力节点之间的第二DC链路电容器。
19.根据权利要求4所述的电路，进一步包括连接在所述第一电力节点和所述中点电力节点之间的第一DC链路电容器和连接在所述中点电力节点和所述第二电力节点之间的第二DC链路电容器。
20.根据权利要求5所述的电路，进一步包括连接在所述第一电力节点和所述中点电力节点之间的第一DC链路电容器和连接在所述中点电力节点和所述第二电力节点之间的第二DC链路电容器。
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