专利名称：单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法
技术领域：
本发明涉及多个高频电力电子器件(简称多管)串联时实现均压的方法，属于电 力电子技术领域。
背景技术：
在高电压工作下，一个器件不够，往往需要几个器件串联起来承受高电压。为了解 决多管串联时的均压问题，现行办法可归纳为四类。第一类办法两个逆导晶闸管串联。为了使两管均压，在每管上并联了 RC阻容吸 收电路。但它们会引起相当大的损耗，尤其在电压较高、频率较高、di/dt及dv/dt较大和 要求均压较好等场合。这是最简单的均压办法，效果最差。对于高频电力电子(绝缘栅双 极型晶体管)等工作在高频下的器件，上述办法往往是不合适的，因为RC阻容不可能绝对 无感超过稳压管的阈值电压时稳压管进行钳位，限制电压的进一步上升。这种办法看起来 很简单，但实际上在高电压下要组成多个独立的稳压电力电子电路却比较复杂，而且效率 也较低。或者也可不用稳压电路消耗此能量，而将此能量充入到另外的钳位电路中去。第二类办法钳位耗能办法。在每只管子两端并接了以稳压管示意的稳压装置。当 管子的端电压超过稳压管的阈值电压时稳压管进行钳位，限制电压的进一步上升。这种办 法看起来很简单，但实际上在高电压下要组成多个独立的稳压电力电子电路却比较复杂， 而且效率也较低。或者也可不用稳压电路消耗此能量，而将此能量充入到另外的钳位电路 中去，但充入钳位电路的能量如何反馈回电源，比较复杂。有些装置将充入钳位电路的能量 用旁路电阻消耗掉，但在高频工作下此损耗很大。第三类办法控制各主开关的驱动系统以达到动态均压，它对控制要求较高，目前 大多处于研究开发中，还不能适用于较多只随意管子在各种工作条件下的串联。第四类办法，也是目前用得最多的办法就是采用多电平、级联式等复杂而昂贵的 主电路来解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种单电容钳位和变压器反馈能量实现多个高频电力电子 器件(简称多管)串联均压的方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是采用在每个高频电力电子开关上并 联由二极管和电容串联组成的钳位电路，利用钳位电容在动态时吸纳过压电荷，实现动态 电压钳位，利用高频变压器线圈与电容串联实现稳态均压，在稳态时通过高频变压器将动 态时吸纳的过压电荷释放到电源，实现能量反馈，同时在每个高频电力电子开关上并联电 阻，实现静态均压。具体有以下两种技术方案。方案1 单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，其特征是η个串联连接 的高频电力电子开关与负载R-I串联以后并接在电源两端，电源的两端并联电容C-1，负载R-I上反并二极管D-1，在每个高频电力电子开关上并联由电容Cl-I和高频变压器线圈 Lm-I串联组成的均压电路，η个高频变压器线圈Lm-I匝数相等而且绕在同一高频铁芯上， η彡2，实现稳态均压； 在每个高频电力电子开关两端并接由二极管Dl-I和钳位电容C2-1串联组成的钳 位电路，在与第一个高频电力电子开关并接的钳位电路的二极管Dl-I两端并联一只辅助 电子开关G-1，在相邻钳位电路的二极管Dl-I与钳位电容C2-1的连接点之间接入二极管 D2-1，下一级二极管D2-1的阴极接到上一级二极管D2-1的阳极；通过二极管D2-1在高频 电力电子开关开通期间将动态时充入除第一只以外的η-1只钳位电容C2-1中的电荷全部 汇集到并接在第一个电子开关两端的钳位电容C2-1中，利用钳位电容在动态时吸纳过压 电荷，实现动态电压钳位，并在稳态时通过高频变压器线圈Lm-I将动态时吸纳的过压电荷 释放到电源。同时在每个高频电力电子开关上并联电阻Rm-I，实现静态均压。方案2:单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，其特征是η个串联连接 的高频电力电子开关与负载R串联以后并接在电源两端，η > 2，电源的两端并联电容C，负 载R上反并二极管D，在每个高频电力电子开关上并联了由二极管Dl和电容Cl串联组成 的钳位电路，在相邻钳位电路的二极管Dl和电容Cl连接点之间接入二极管D2，下一级二 极管D2的阴极接到上一级二极管D2的阳极；在与第一个高频电力电子开关并接的钳位电 路的二极管Dl两端并联一只辅助电子开关G，辅助电子开关G与高频电力电子开关互补导 通，第一个高频电力电子开关的始端和末端以及最后第η个开关的末端均有线引出接到外 部电路上，外部电路由电容C3、具有3个出线端的自耦式高频变压器和电容C4串联组成， 电容C3的始端接到第一个高频电力电子开关的始端；电容C3的末端接到自耦式高频变压 器的第一个出线端；自耦式高频变压器的第二个出线端接到第一个高频电力电子开关的末 端；自耦式高频变压器的第三个出线端接到电容C4的始端；电容C4的末端接到第η个开关 的末端，自耦式高频变压器第一至第二出线端之间的匝数W12与第二至第三出线端之间的 匝数W23之比为W12 W23 = 1 (η-1)；利用自耦式高频变压器对第一只高频电力电子开关 的电压进行钳位，利用二极管D2使各个高频电力电子开关对应的电容Cl的电压均不超过 第一个高频电力电子开关对应的电容Cl的电压，其余各只高频电力电子开关的钳位电压 都与第一只高频电力电子开关的钳位电压相同，实现稳态均压和动态电压钳位，并在稳态 时通过自耦式高频变压器将动态时吸纳的过压电荷释放到电源。同时在每个高频电力电子 开关上并联电阻Rm，实现静态均压。本发明的有益效果在于本发明利用钳位电容在高频电力电子开关动态时吸纳过压电荷，利用自耦式高频变压器在高频电力电子开关稳态时释放吸纳的过压电荷到电源，实现多个高频电力电子器 件串联时均压。本发明可以实现多个高频电力电子器件串联时稳态均压，动态均压，能量反 馈。有利于降低成本和推动高电压、高频率电力电子技术在工业中的发展和应用。
图1是本发明的一种具体实例电路图。图2是本发明的另一种具体实例电路图。
图3是本发明的第三种具体实例电路图。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明。下述具体实施例用来解释说明本发明，而不是 对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改 和改变，都落入本发明的保护范围。方案1 参照图1，单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，η个串联连接 的高频电力电子开关Κ1、Κ2、…Kn与负载R串联以后并接在电源Ud两端，电源的两端并联 电容C，负载R上反并二极管D，在每个高频电力电子开关上并联由电容Cl-I和高频变压器 线圈Lm-I串联组成的均压电路，η个高频变压器线圈Lm-I匝数相等而且绕在同一高频铁 芯上，η彡2，实现稳态均压；在每个高频电力电子开关两端并接由二极管Dl-I和钳位电容C2-1串联组成的钳 位电路，在与第一个高频电力电子开关Kl并接的钳位电路的二极管Dl-I两端并联一只辅 助电子开关G-1，在相邻钳位电路的二极管Dl-I与钳位电容C2-1的连接点之间接入二极管 D2-1，下一级二极管D2-1的阴极接到上一级二极管D2-1的阳极；通过二极管D2-1在高频 电力电子开关开通期间将动态时充入除第一只以外的η-1只钳位电容C2-1中的电荷全部 汇集到并接在第一个电子开关两端的钳位电容C2-1中，利用钳位电容在动态时吸纳过压 电荷，实现动态电压钳位，并在稳态时通过高频变压器线圈Lm-I将动态时吸纳的过压电荷 释放到电源。同时在每个高频电力电子开关上并联电阻Rm-I，实现静态均压。工作原理利用电容Cl-I与高频变压器线圈Lm-I的串联实现稳态均压。电容Cl-I两端电 压基本在高频电力电子开关导通和关断期间基本保持不变，η个高频变压器线圈Lm-I匝数 相等而且绕在同一高频铁芯上，η > 2，因此η个高频变压器线圈Lm-I两端电压时刻相等， 以此来实现稳态均压。(一 )关断过程当高频电力电子开关Kl上有过电压产生时，利用与高频电力电子开关Kl相对应 的二极管Dl-I和钳位电容C2-1串联组成的钳位电路对高频电力电子开关Kl进行钳位。与 第一只高频电力电子开关对应的二极管Dl-I开通时，与其对应的钳位电容C2-1被充电，被 充电的钳位电容C2-1限制了高频电力电子开关Kl两端电压的上升，使得高频电力电子开 关Kl两端电压始终钳位在额定工作电压，实现动态电压钳位。充进与第一只高频电力电子开关对应的钳位电容C2-1的能量必须要释放出来。 第一个高频电力电子开关两端的钳位电容C2-1上的能量通过辅助电子开关G-I向对应的 高频变压器线圈Lm-I释放，使得与第一只高频电力电子开关对应的高频变压器线圈Lm-I 两端的电压升高，由于η个高频变压器线圈Lm-I匝数相等而且绕在同一高频铁芯上，所以 其他η-1个高频变压器线圈Lm-I两端的电压都升高，通过η个高频变压器线圈Lm-I与η个 电容Cl-I的串联将钳位时吸收的能量反馈到并联在电源两端的电容C中，实现能量反馈。类似地，其他η-1个高频电力电子开关关断时，当高频电力电子开关Κ2…Kn上电 压高于与其对应的钳位电容C2-1上的电压时，高频电力电子开关Κ2…Kn各自对应的二极管Dl-I导通，各自对应的钳位电容C2-1开始被充电，被充电的钳位电容C2-1上能量的释 放通过二极管D2-1在高频电力电子开关开通期间将除第一只以外的n-1只钳位电容C2-1 中的电荷全部汇集到并接在第一个电子开关两端的钳位电容C2-1中，再由第一个电子开 关两端的钳位电容C2-1进行释放，此时能量释放的原理与Kl关断时能量释放原理相同，此 处不再过多描述。( 二)开通过程开通时同样会出现各高频电力电子开关承受电压不均问题。钳位电路同样会限制 开通过程中的高频电力电子开关电压不超过额定值。方案2:单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，η个串联连接的高频电 力电子开关κι、Κ2、…Kn与负载R串联以后并接在电源Ud两端，η彡2，电源的两端并联 电容C，负载R上反并二极管D，在每个高频电力电子开关上并联了由二极管Dl和电容Cl 串联组成的钳位电路，在相邻钳位电路的二极管Dl和电容Cl连接点之间接入二极管D2， 下一级二极管D2的阴极接到上一级二极管D2的阳极；在与第一个高频电力电子开关并接 的钳位电路的二极管Dl两端并联一只辅助电子开关G，辅助电子开关G与高频电力电子开 关互补导通，第一个高频电力电子开关Kl的始端Is和末端Ie以及最后第η个开关Kn的 末端ne均有线引出接到外部电路上，外部电路由电容C3、具有3个出线端Tl、T2、T3的自 耦式高频变压器和电容C4串联组成，电容C3的始端接到第一个高频电力电子开关Kl的始 端Is ；电容C3的末端接到自耦式高频变压器的第一个出线端Tl ；自耦式高频变压器的第 二个出线端T2接到第一个高频电力电子开关Kl的末端Ie ；自耦式高频变压器的第三个出 线端T3接到电容C4的始端；电容C4的末端接到第η个开关Kn的末端ne，自耦式高频变 压器第一至第二出线端之间的匝数W12与第二至第三出线端之间的匝数W23之比为W12 W23 =1 (n-1)；利用自耦式高频变压器对第一只高频电力电子开关kl的电压进行钳位，利 用二极管D2使各个高频电力电子开关对应的电容Cl的电压均不超过第一个高频电力电子 开关对应的电容Cl的电压，而第一个高频电力电子开关对应的电容Cl的电压=U/n，U为 电源电压，同时η个高频电力电子开关的稳态电压之和必定等于电源电压U,从而实现稳态 均压。其余各只高频电力电子开关的钳位电压都与第一只高频电力电子开关kl的钳位电 压相同，实现稳态均压和动态电压钳位，并在稳态时通过自耦式高频变压器将动态时吸纳 的过压电荷释放到电源。同时在每个高频电力电子开关上并联电阻Rm，实现静态均压。工作原理(一 )关断过程当高频电力电子开关Kl上有过电压产生时，利用与高频电力电子开关Kl相对应 的二极管Dl和电容Cl串联组成的钳位电路对高频电力电子开关Kl进行钳位。与第一只 高频电力电子开关对应的二极管Dl开通时，与其对应的钳位电容Cl被充电，被充电的钳位 电容Cl限制了高频电力电子开关Kl两端电压的上升，使得高频电力电子开关Kl两端电压 始终钳位在额定工作电压，实现稳态均压和动态电压钳位。充进与第一只高频电力电子开关对应的电容Cl的能量必须要释放出来。第一个 高频电力电子开关两端的电容Cl上的能量通过辅助电子开关G向对应的自耦变压器释放， 实现能量反馈。
当其他n-1只高频电力电子开关上有过电压产生时，高频电力电子开关K2. . . Kn 上电压高于与其对应的电容Cl上的电压时，高频电力电子开关K2. . . Kn各自对应的二极管 Dl导通，各自对应的电容Cl开始被充电，被充电的电容Cl上能量的释放通过二极管D2在 高频电力电子开关开通期间将除第一只以外的n-1只电容Cl中的电荷全部汇集到并接在 第一个电子开关两端的电容Cl中，再由第一个电子开关两端的电容Cl进行释放，此时能量 释放的原理与Kl关断时能量释放原理相同，此处不再过多描述。( 二)开通过程开通时同样会出现各高频电力电子开关承受电压不均问题。钳位电路同样会限制 开通过程中的高频电力电子开关电压不超过额定值。方案2中的自耦式高频变压器也可用双绕组变压器来代替。为了减少连接线分布电感的影响，方案2的进一步特征，可将串 联连接的η个高频 电力电子开关K1、K2、...Kn和并接在每个高频电力电子开关两端的钳位电路封装在一个 模块中。如果直接连接在模块内部的钳位电容容量不够大，可如图3所示，在每个高频电力 电子开关两端分别再并联由二极管D1’和钳位电容C2’的串联电路，将该η个串联电路与 η个高频电力电子开关Kl、Κ2、…Kn装在一个模块中，将与第一个高频电力电子开关Kl对 应的二极管D1’的阴极和与第一个高频电力电子开关Kl对应的二极管Dl的阴极相连，在 相邻的二极管D1’与钳位电容C2’的连接点之间接入二极管D2’，下一级二极管D2’的阴极 接到上一级二极管D2，的阳极。为了进一步减少连接线分布电感的影响，还可采用在与第一个高频电力电子开关 Kl对应的二极管D1’的阴极和与第一个高频电力电子开关Kl对应的二极管Dl的阴极相连 的连接线上串联电阻r。图3所示电路，当η个高频电力电子开关导通和关断时，其稳态均压、动态均压与 能量反馈原理与图2相同。
权利要求
单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，其特征是n个串联连接的高频电力电子开关(K1、K2、…Kn)与负载R串联以后并接在电源(Ud)两端，电源的两端并联电容C，负载R上反并二极管D，在每个高频电力电子开关上并联由电容C1-1和高频变压器线圈Lm-1串联组成的均压电路，n个高频变压器线圈Lm-1匝数相等而且绕在同一高频铁芯上，n≥2，实现稳态均压；在每个高频电力电子开关两端并接由二极管D1-1和钳位电容C2-1串联组成的钳位电路，在与第一个高频电力电子开关(K1)并接的钳位电路的二极管D1-1两端并联一只辅助电子开关G-1，在相邻钳位电路的二极管D1-1与钳位电容C2-1的连接点之间接入二极管D2-1，下一级二极管D2-1的阴极接到上一级二极管D2-1的阳极；通过二极管D2-1在高频电力电子开关开通期间将动态时充入除第一只以外的n-1只钳位电容C2-1中的电荷全部汇集到并接在第一个电子开关两端的钳位电容C2-1中，利用钳位电容在动态时吸纳过压电荷，实现动态电压钳位，并在稳态时通过高频变压器线圈Lm-1将动态时吸纳的过压电荷释放到电源。同时在每个高频电力电子开关上并联电阻Rm-1，实现静态均压。
2.单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，其特征是n个串联连接的 高频电力电子开关(K1、K2、…Kn)与负载R串联以后并接在电源(Ud)两端，n ≥2，电源 的两端并联电容C，负载R上反并二极管D，在每个高频电力电子开关上并联了由二极管D1 和电容C1串联组成的钳位电路，在相邻钳位电路的二极管D1和电容C1连接点之间接入二 极管D2，下一级二极管D2的阴极接到上一级二极管D2的阳极；在与第一个高频电力电子 开关并接的钳位电路的二极管D1两端并联一只辅助电子开关G，辅助电子开关G与高频电 力电子开关互补导通，第一个高频电力电子开关(K1)的始端(Is)和末端(le)以及最后第 n个开关(Kn)的末端(ne)均有线引出接到外部电路上，外部电路由电容C3、具有3个出 线端(T1、T2、T3)的自耦式高频变压器和电容C4串联组成，电容C3的始端接到第一个高 频电力电子开关(K1)的始端(Is)；电容C3的末端接到自耦式高频变压器的第一个出线端 (T1)；自耦式高频变压器的第二个出线端(T2)接到第一个高频电力电子开关(K1)的末端 (le)；自耦式高频变压器的第三个出线端(T3)接到电容C4的始端；电容C4的末端接到第 n个开关(Kn)的末端(ne)，自耦式高频变压器第一至第二出线端之间的匝数w12与第二至 第三出线端之间的匝数w23之比为w12 w23 = 1 (n-1)；利用自耦式高频变压器对第一只 高频电力电子开关(kl)的电压进行钳位，利用二极管D2使各个高频电力电子开关对应的 电容C1的电压均不超过第一个高频电力电子开关对应的电容C1的电压，其余各只高频电 力电子开关的钳位电压都与第一只高频电力电子开关(kl)的钳位电压相同，实现稳态均 压和动态电压钳位，并在稳态时通过自耦式高频变压器将动态时吸纳的过压电荷释放到电 源。同时在每个高频电力电子开关上并联电阻Rm，实现静态均压。
3.根据权利要求2所述的单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，其 特征是串联连接的n个高频电力电子开关(Kl、K2、"'Kn)和并接在每个高频电力电子开关 两端的钳位电路封装在一个模块中。
4.根据权利要求2所述的单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，其 特征是在每个高频电力电子开关两端分别再并联由二极管D1’和钳位电容C2’的串联电 路，将该n个串联电路与n个高频电力电子开关(Kl、K2、"'Kn)装在一个模块中，将与第一 个高频电力电子开关(K1)对应的二极管D1’的阴极和与第一个高频电力电子开关(K1)对应的二极管D1的阴极相连，在相邻的二极管D1’与钳位电容C2’的连接点之间接入二极管 D2，，下一级二极管D2，的阴极接到上一级二极管D2，的阳极。
5.根据权利要求4所述的多个高频电力电子器件串联时实现均压的方法，其特征是在 与第一个高频电力电子开关(K1)对应的二极管D1’的阴极和与第一个高频电力电子开关 (K1)对应的二极管D1的阴极相连的连接线上串联电阻r。
6.根据权利要求2所述的单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，其 特征是所述的自耦式高频变压器用双绕组变压器代替。
全文摘要
本发明公开的单电容钳位和变压器反馈能量实现多管串联均压的方法，采用在每个高频电力电子开关上并联由二极管和电容串联组成的钳位电路，在相邻钳位电路的二极管、电容连接点之间依次用二极管连接，利用钳位电容在动态时吸纳过压电荷，实现动态电压钳位，利用高频变压器线圈与电容串联或者利用二极管与电容串联实现稳态均压，在稳态时通过高频变压器和辅助电子开关将动态时吸纳的过压电荷释放到电源，实现能量反馈，同时在每个高频电力电子开关上并联电阻，实现静态均压。本发明可以实现多个高频电力电子器件串联时稳态均压、动态均压和能量反馈。有利于降低成本和推动高电压、高频率、高功率电力电子技术在工业中的发展和应用。
文档编号H02M1/088GK101834517SQ20101016369
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月5日 优先权日2010年5月5日
发明者汪槱生 申请人:汪槱生