[实用新型]一种高效率的功率开关器件串联限压电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种限压电路，更具体地说，涉及一种高效率的功率开关器件串联限压电路。常用于高压电力电子领域。

背景技术

用PWM调制的功率开关器件串联电路，适用于中高压变频器，高压直流柔性输电，高压断路器，中高压动态无功补偿，中高压有源滤波等产品，在新能源与分布式并网，智能电网建设，海上钻进平台及孤岛的海底供电，交流供电系统的异步并联等领域应用会越来越多。如绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联桥臂，目前在3KV，10KV高压变频器上已得到应用。

由于目前功率开关器件的耐压值较低，如商业化的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的耐压值为1200V，1700V，3300V等值，在高压电路如10KV，500KV电路中，必须数只功率开关器件串联工作来解决耐压问题。由于功率开关器件的参数的离散性，外在环境的差异性，附加电路的参数差异性等，使开通过程，关断过程中，串联电路中的每个功率开关器件承受动态电压不一致。在开通过程中后开通的功率开关器件，以及关断过程中先关断的功率开关器件承受的电压过高，超过功率开关器件的限压限值导而损坏。

因此，在功率开关器件串联应用时，需采取相应的措施，将其两端电压限定在安全工作电压范围内，一般将其工作承受电阻限定在最大耐压值的70％以内。

针对功率开关器件串联应用的安全限压问题，目前已提出多种技术方法来解决。主要分为负载侧控制法和栅极侧控制法，其中的负载侧控制法中的缓冲电路限定电压法，应用较广。

如一项PCT专利申请“功率开关器件串联限压电路”(国际申请号PCT／CN2010／078206)，电路形式如图1所示。再如一项专利申请“一种自动限压的功率开关器件串联高压电路”(申请号：201310265407.2.待授权)。电路形式如图2所示。都是通过调节功率开关器件两端并联的储能电容的电压，对储能电容进行电压复位，来实现串联的功率开关器件的均压或限压。

功率开关器件串联电路开通，关断不一致引起的功耗是很大的，举例说明：设储能电容的复位电压为1000V，上升电压达到1200V，负载电流为100A，开通和关断延时时间各为1us，开关频率为3KHz.每次开关动作，分压高的那个储能电容C充入的能量为W=1／2*C*(U+△U)^2-1／2*C*U*U=0.22J，则P=W／t=660W。

这两个技术中，在功率开关器件串联电路同步受控由导通状态，进入关断状态时，会将各个储能电容C进行充电，电容的充电电流If如图3所示。

在功率开关器件串联电路最常用的一些工作场合中，在同步受控进入稳定的关断期间，会出现反向导通状况，会有续流电流Ir1流过续流二极管，同时，缓冲电路中的储能电容C有反向充电电流Ir2流过，直到储能电容C两端的电压复位到与限压控制功率电路U两端的电压相等为止(忽略反向二极管的压降)。如图3所示。如H桥开关电源中的IGBT串联桥臂，双极性调制方法控制的H桥逆变电路工作在电感电流连续模式下的IGBT串联桥臂，都会出现反向充电电流Ir2流过储能电容

储能电容C的反向充电电流Ir2的来源为感性负载的负载电流。设某个储能电容Cx电压复位需要的能量为△Wcx，流过的反向充电电流Ir2会在限压控制功率电路U中产生能量消耗△Wu，总的反向复位能量△Wr=△Wcx+△Wu，那么△Wr必然会由感性负载来提供能量。如前面举例计算。

因此，产生两个问题：一，增加了负载电流的波动范围，也就是增大了电流纹波。二。负载电流分流一部分Ir2，经过限压控制功率电路U，会产生一些多余的消耗，也就减小了系统的转换效率。

发明内容

本实用新型构建一种高效率的功率开关器件串联限压电路，采用主动或被动式电压复位方法，对储能电容C进行电压复位，从而对功率开关器件进行了限压。并且，在反向续流时，阻断了反向充电电流Ir2，也就不会产生多余的能量消耗△Wu。本实用新型可减小负载电流的纹波，提高系统的转换效率。

本实用新型的技术方案是：构建一种高效率的功率开关器件串联限压电路，包括由多个功率开关器件Q1至Qn组成的功率开关器件串联支路，多个反向二极管，还包括进行多个储能电路P1至Pm、多个放电二极管Dp、多个汇流二极管Dq，一个开关管Qu，和限压控制功率电路∪；