CN109889028B - 一种吸收电容预充电电路和尖峰电压吸收电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供的吸收电容预充电电路和尖峰电压吸收电路，通过一个电源将功率开关管的尖峰电压吸收电路内吸收电容两端的电压充至桥式电路的直流母线电压，并且通过第一防放电单元设置于该吸收电容的充电回路中，防止吸收电容放电，进而将吸收电容预充电至直流母线电压。当桥式电路在首次上电或者开机时，一个功率开关管导通瞬间，其桥臂对应互补管所承受的电压从半直流母线电压上升至直流母线电压，而该桥臂对应互补管的吸收电容已被预充电至直流母线电压，所以流入其门极的电流为零，不会在其门极叠加电压，避免其误导通导致上下桥臂直通而引发严重的短路故障；并且无需减小吸收电容的容值，确保了对尖峰电压的有效抑制。

Description

一种吸收电容预充电电路和尖峰电压吸收电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种吸收电容预充电电路和尖峰电压吸收电路。

背景技术

桥式电路，比如两电平桥式电路、多电平桥式电路或者升压斩波电路等，其内部功率开关管关断时的关断电流较大，受到功率回路寄生电感的影响，会出现较高的关断尖峰电压，所以其各个功率开关管的集电极-栅极(CG)两端之间均需要设置尖峰电压吸收电路。各种形式的尖峰电压吸收电路中，均设置有吸收和抑制该关断尖峰电压的吸收电容，而该吸收电容需要得到合理的配置，才能够起到对该关断尖峰电压的有效抑制。

但是，当桥式电路在首次上电或者开机时，某功率开关管开通瞬间，其桥臂对应互补管的吸收电容会被充电，而充电所产生的电流会在门极电阻上产生压降，进而引起桥臂对应互补管误导通，造成上下桥臂直通，引发严重的短路故障。

现有技术通常采用减小吸收电容容值的方式来避免上下桥臂直通的情况发生，然而，减小吸收电容的容值，会导致较大尖峰电压无法得到有效抑制的问题。

发明内容

本发明提供一种吸收电容预充电电路和尖峰电压吸收电路，在不减小吸收电容容值的前提下避免桥式电路在首次上电或者开机时上下桥臂直通的情况发生。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

本发明一方面提供一种吸收电容预充电电路，与桥式电路中功率开关管的尖峰电压吸收电路相连；所述吸收电容预充电电路包括：电源和第一防放电单元；其中：

所述电源用于将所述尖峰电压吸收电路内吸收电容两端的电压充至所述桥式电路的直流母线电压；

所述第一防放电单元设置于所述吸收电容的充电回路中，用于防止所述吸收电容放电。

优选的，还包括：限流单元；

所述限流单元设置于所述吸收电容的充电回路中，用于控制所述吸收电容的充电时长。

优选的，所述限流单元为电阻。

优选的，若所述尖峰电压吸收电路为设置于所述桥式电路上桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则所述电源为所述桥式电路的直流母线负极；

若所述尖峰电压吸收电路为设置于所述桥式电路下桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则所述电源为所述桥式电路的直流母线正极。

优选的，还包括：第二防放电单元，用于防止所述直流母线正极通过所述吸收电容预充电电路向所述直流母线负极放电。

优选的，所述第二防放电单元为二极管。

优选的，若吸收电容预充电电路包括限流单元，且，所述尖峰电压吸收电路为设置于所述桥式电路上桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则所述二极管的阳极设置于所述直流母线正极与所述限流单元之间，所述二极管的阴极用于连接所述上桥臂中功率开关管的门极；

若吸收电容预充电电路包括限流单元，且，所述尖峰电压吸收电路为设置于所述桥式电路下桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则所述二极管的阳极与所述下桥臂中功率开关管的集电极相连，所述二极管的阴极设置于所述直流母线正极与所述吸收电容之间。

优选的，所述第一防放电单元为二极管。

本发明另一方面还提供了一种尖峰电压吸收电路，包括：吸收电容以及如上述任一所述的吸收电容预充电电路。

优选的，还包括：第一电阻、第一二极管、第一稳压二极管和第二稳压二极管；其中：

所述第一电阻与所述吸收电容并联，并联的一端与所述第一稳压二极管的阳极和所述第二稳压二极管的阴极相连，并联的另一端与所述第一稳压二极管的阴极和所述第一二极管的阴极相连；

所述第一二极管的阳极与所保护的功率开关管的集电极相连；

所述第二稳压二极管的阳极与所述功率开关管的驱动电路相连。

本发明提供的吸收电容预充电电路，通过一个电源将功率开关管的尖峰电压吸收电路内吸收电容两端的电压充至桥式电路的直流母线电压，并且通过第一防放电单元设置于该吸收电容的充电回路中，防止吸收电容放电，进而将吸收电容预充电至直流母线电压。当桥式电路在首次上电或者开机时，一个功率开关管导通瞬间，其桥臂对应互补管所承受的电压从半直流母线电压上升至直流母线电压，而该桥臂对应互补管的吸收电容已被预充电至直流母线电压，所以流入其门极的电流为零，不会在其门极叠加电压，避免其误导通导致上下桥臂直通而引发严重的短路故障；并且无需减小吸收电容的容值，确保了对尖峰电压的有效抑制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明申请实施例提供的吸收电容预充电电路的结构示意图；

图2是本发明申请实施例提供的吸收电容预充电电路的另一结构示意图；

图3是本发明申请实施例提供的吸收电容预充电电路的电路图；

图4是本发明申请实施例提供的尖峰电压吸收电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种吸收电容预充电电路，在不减小吸收电容容值的前提下避免桥式电路在首次上电或者开机时上下桥臂直通的情况发生。

该吸收电容预充电电路，与桥式电路中功率开关管的尖峰电压吸收电路相连；如图1所示，该吸收电容预充电电路具体包括：电源和第一防放电单元；其中：

电源用于将尖峰电压吸收电路内吸收电容C两端的电压充至桥式电路的直流母线电压Vdc；

第一防放电单元设置于吸收电容C的充电回路中，用于防止吸收电容C放电，确保吸收电容C能够预充电至直流母线电压Vdc。

当桥式电路在首次上电或者开机时，一个功率开关管导通瞬间，其桥臂对应互补管所承受的电压从半直流母线电压Vdc/2上升至直流母线电压Vdc，而该桥臂对应互补管的吸收电容已被预充电至直流母线电压Vdc，所以流入其门极的电流为零，不会在其门极叠加电压，避免其误导通导致上下桥臂直通而引发严重的短路故障。

本实施例提供的吸收电容预充电电路，通过对吸收电容的预充电，使其不会出现上下桥臂直通的情况，保证了功率开关管的安全工作状态，并且无需减小吸收电容的容值，确保了对于尖峰电压的有效抑制。

值得说明的是，对于现有技术中未减小吸收电容容值的各种尖峰电压吸收电路，当桥式电路正常工作时，由于桥式电路开关过程较快，关断电流较大，受到功率回路寄生电感的影响，会出现较高的关断尖峰电压；尖峰电压通过功率开关管CG两端之间的多种尖峰吸收电路中的吸收电容，给门极充电，使得功率管关断延时，降低尖峰电压，但是充电产生电流在门极电阻产生压降，会引起桥臂对应互补管门级电压的上升，因此也会导致上下桥臂直通的情况发生。而当桥式电路过流、相间短路或者直通短路时，且短路保护电路没有检测到故障信号或者短路保护电路的响应时间过长，导致无法及时保护功率管，短路产生大电流导致功率开关管硬关断产生较高尖峰电压，尖峰电压通过吸收电容产生电流给门极充电，延迟功率开关管的关断时间，降低尖峰电压，但是会引起桥臂对应互补管门级电压的上升，进而也会造成上下桥臂直通，引发严重的短路故障。

而本实施例提供的该吸收电容预充电电路，通过对吸收电容的预充电，能够降低功率开关管在正常工况和短路工况下的尖峰电压与其吸收电容之间的压差，即降低其驱动电阻上产生的电压，进而能够大幅减少上下桥臂直通的情况发生，保证功率开关管的安全工作状态；并且无需减小吸收电容的容值，确保了对于尖峰电压的有效抑制。

实际应用中，优选的，如图2所示，该吸收电容预充电电路还包括：限流单元。

该限流单元设置于吸收电容C的充电回路中，用于控制吸收电容C的充电时长。

较佳的，该限流单元为电阻(如图3中的R1和R2)。当然，该限流单元也可以采用其他器件来实现，只要能够实现限流的作用即可，均在本申请的保护范围内。

实际应用中，可以通过对限流单元的参数设置，实现吸收电容C的充电时长可控。

本发明另一实施例还提供了一种具体的吸收电容预充电电路，在上述实施例及图1和图2的基础之上，对其电源的实现形式给出了一种优选方案，即无需额外的供电电源，而直接从直流母线取电；具体的，如图3所示：

若尖峰电压吸收电路为设置于桥式电路上桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则对应吸收电容预充电电路101中的电源为桥式电路的直流母线负极BUS-；

若尖峰电压吸收电路为设置于桥式电路下桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则对应吸收电容预充电电路102中的电源为桥式电路的直流母线正极BUS+。

并且，在从直流母线取电的同时，需要注意避免直流母线正极BUS+通过相应吸收电容预充电电路向直流母线负极BUS-放电，因此，更为优选的，该吸收电容预充电电路还包括：第二防放电单元，比如图3中所示的二极管D3和D4。当然，实际应用中，该第二防放电单元也可以采用其他器件来实现，比如可控的三极管或IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)等，此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。具体的：

若吸收电容预充电电路包括限流单元，且，尖峰电压吸收电路为设置于桥式电路上桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则该第二防放电单元二极管(如图3中所示的D3)的阳极设置于直流母线正极BUS+与限流单元之间，该第二防放电单元二极管的阴极用于连接上桥臂中功率开关管的门极；进而能够阻止直流母线正极BUS+通过限流单元(如图3中所示的R1)向直流母线负极BUS-放电。

若吸收电容预充电电路包括限流单元，且，尖峰电压吸收电路为设置于桥式电路下桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则该第二防放电单元二极管(如图3中所示的D4)的阳极与下桥臂中功率开关管的集电极相连，该第二防放电单元二极管的阴极设置于直流母线正极BUS+与吸收电容之间；进而能够阻止直流母线正极BUS+通过限流单元(如图3中所示的R2)以及相应功率开关管向直流母线负极BUS-放电。

图3所示为一种具体示例：

其桥式电路上桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路所配备的吸收电容预充电电路101中：电源为直流母线负极BUS-，第一防放电单元为二极管D1，限流单元为电阻R1，第二防放电单元为二极管D3；并且，其对应吸收电容C1的一端与直流母线正极BUS+相连，另一端一方面通过二极管D1、电阻R1与直流母线负极BUS-相连，另一方面通过二极管D3连接上桥臂中功率开关管的门极。当然，实际应用中，其二极管D1、电阻R1及二极管D3的位置并不仅限于此，比如其二极管D1、电阻R1以及吸收电容C1在一条回路上即可，其前后顺序并不固定；只要能够实现其各自对应的功能即可，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

其桥式电路下桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路所配备的吸收电容预充电电路102中：电源为直流母线正极BUS+，第一防放电单元为二极管D2，限流单元为电阻R2，第二防放电单元为二极管D4；并且，其对应吸收电容C2的一端与下桥臂中功率开关管的门极相连，另一端分别与二极管D2的阴极和二极管D4的阴极相连，二极管D2的阳极通过电阻R2与直流母线负极BUS-相连，二极管D4的阳极与下桥臂中功率开关管的集电极相连，也即与桥臂中点相连。当然，实际应用中，其二极管D2、电阻R2及二极管D4的位置并不仅限于此，比如其二极管D2、电阻R2以及吸收电容C2在一条回路上即可，其前后顺序并不固定；只要能够实现其各自对应的功能即可，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

以桥式电路开机瞬间工况为例，假设直流母线电压为直流母线正极BUS+对直流母线负极BUS-之间的电压Vdc，图3所示吸收电容预充电电路的工作过程为：

对于桥式电路上桥臂中的功率开关管,即图3中的上管IGBT_UP而言，其驱动信号Driver_up通过门极电阻输入其门极；直流母线正极BUS+通过电阻R1和二极管D1，给吸收电容C1充电，将吸收电容C1电压充电至Vdc。对于桥式电路下桥臂中的功率开关管,即图3中的下管IGBT_DW而言，其驱动信号Driver_dw通过门极电阻输入其门极；直流母线正极BUS+通过电阻R2和二极管D2，给吸收电容C2充电，将吸收电容C2电压充电至Vdc。

当上管IGBT_UP(或者下管IGBT_DW)开机时，此时其互补管IGBT_DW(或者IGBT_UP)所承受的电压Vce将从Vdc/2增加至Vdc，但是此时吸收电容C1和C2电压均已经充电至Vdc，根据理论计算，流入互补管IGBT_DW门极电流i＝0A，不会在其门极叠加电压，所以处于关闭状态，不会出现误导通进而产生直通现象，因此能够保证功率开关管的安全工作状态。

针对功率开关管正常工况和短路工况产生的尖峰电压，该电路通过对吸收电容C1和C2进行预充电，降低尖峰电压与对应吸收电容上的压差，即降低相应驱动电阻上产生的电压，进而保证功率开关管的安全工作状态。

综上，无论尖峰电压吸收电路的具体拓扑如何，本实施例都能够通过对其吸收电容进行预充电，保证功率开关管的安全工作状态，并且起到对关断尖峰电压的有效抑制。

需要说明的是，图3也仅为一种具体示例而已，并不是唯一的实现方式，其各个器件的选用及位置设置均可视其具体应用环境而定，能够实现其各自的功能即可，均在本申请的保护范围内。

其余结构及原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明另一实施例还提供了一种尖峰电压吸收电路，无论其具体拓扑如何，其均包括：吸收电容以及如上述实施例任一所述的吸收电容预充电电路。

该吸收电容预充电电路的具体结构及工作原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

图4所示给出了一种具体的示例，该尖峰电压吸收电路在包括吸收电容C以及吸收电容预充电电路(图中未展示)的基础之上，还包括：第一电阻R、第一二极管D、第一稳压二极管DZ1和第二稳压二极管DZ2；其中：

第一电阻R与吸收电容C并联，并联的一端与第一稳压二极管DZ1的阳极和第二稳压二极管DZ2的阴极相连，并联的另一端与第一稳压二极管DZ1的阴极和第一二极管D的阴极相连；

第一二极管D的阳极与所保护的功率开关管的集电极相连；

第二稳压二极管DZ2的阳极与功率开关管的驱动电路相连。

该尖峰电压吸收电路与驱动电路的具体结构及连接方式均为现有技术，此处不再一一赘述。

并且，图4也仅为一种示例，实际应用中，该尖峰电压吸收电路的具体实现形式可以采用现有技术中任何合适的拓扑，此处不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种吸收电容预充电电路，其特征在于，与桥式电路中功率开关管的尖峰电压吸收电路相连；所述吸收电容预充电电路包括：电源和第一防放电单元；其中：

所述电源用于将所述尖峰电压吸收电路内吸收电容两端的电压充至所述桥式电路的直流母线电压，使所述桥式电路首次上电或者开机时，流入其功率开关管门极的电流为零；

所述第一防放电单元设置于所述吸收电容的充电回路中，用于防止所述吸收电容放电。

2.根据权利要求1所述的吸收电容预充电电路，其特征在于，还包括：限流单元；

所述限流单元设置于所述吸收电容的充电回路中，用于控制所述吸收电容的充电时长。

3.根据权利要求2所述的吸收电容预充电电路，其特征在于，所述限流单元为电阻。

4.根据权利要求1-3任一所述的吸收电容预充电电路，其特征在于，若所述尖峰电压吸收电路为设置于所述桥式电路上桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则所述电源为所述桥式电路的直流母线负极；

若所述尖峰电压吸收电路为设置于所述桥式电路下桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则所述电源为所述桥式电路的直流母线正极。

5.根据权利要求4所述的吸收电容预充电电路，其特征在于，还包括：第二防放电单元，用于防止所述直流母线正极通过所述吸收电容预充电电路向所述直流母线负极放电。

6.根据权利要求5所述的吸收电容预充电电路，其特征在于，所述第二防放电单元为二极管。

7.根据权利要求6所述的吸收电容预充电电路，其特征在于，若吸收电容预充电电路包括限流单元，且，所述尖峰电压吸收电路为设置于所述桥式电路上桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则所述二极管的阳极设置于所述直流母线正极与所述限流单元之间，所述二极管的阴极用于连接所述上桥臂中功率开关管的门极；

若吸收电容预充电电路包括限流单元，且，所述尖峰电压吸收电路为设置于所述桥式电路下桥臂中功率开关管的尖峰电压吸收电路，则所述二极管的阳极与所述下桥臂中功率开关管的集电极相连，所述二极管的阴极设置于所述直流母线正极与所述吸收电容之间。

8.根据权利要求1-3任一所述的吸收电容预充电电路，其特征在于，所述第一防放电单元为二极管。

9.一种尖峰电压吸收电路，其特征在于，包括：吸收电容以及如权利要求1-8任一所述的吸收电容预充电电路。

10.根据权利要求9所述的尖峰电压吸收电路，其特征在于，还包括：第一电阻、第一二极管、第一稳压二极管和第二稳压二极管；其中：

所述第一电阻与所述吸收电容并联，并联的一端与所述第一稳压二极管的阳极和所述第二稳压二极管的阴极相连，并联的另一端与所述第一稳压二极管的阴极和所述第一二极管的阴极相连；

所述第一二极管的阳极与所保护的功率开关管的集电极相连；

所述第二稳压二极管的阳极与所述功率开关管的驱动电路相连。

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