专利名称：多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，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。第一类办法图1(a)表示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(如绝缘栅双极型晶体管)等工作在高频下的器件。图1(a)的办法往往是不合适的，因 为RC阻容不可能绝对无感，只能做到低感。这种微小的电感在低频时没有多大影响，但在 高频时却有显著影响。而且高频时阻容吸收电路的损耗较大。再则多管串联时往往需要挑 选关断特性相近的管子进行配对串联，这在制造厂不难做到，而对用户厂需要换一个管子 时就比较困难。第二类办法钳位耗能办法。如图1(b)所示，两只高频电力电子管子串联。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。
发明内容本实用新型的目的是提供一种多个高频电力电子器件串联时低成本实现均压的 电路。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是在每个高频电力电子开关上并 联由电容和高频变压器线圈串联组成的均压电路，使η只高频电力电子开关稳态均压；在 每个高频电力电子开关上接入由二极管和钳位电容组成的钳位电路，利用钳位电容在动态 时吸纳过压电荷，实现动态电压钳位，并在稳态时通过高频变压器线圈将动态时吸纳的过 压电荷释放到电源。具体技术方案如下方案1 [0010]多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，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，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和高频变压器线圈Lm串联组成的均压电 路，η个高频变压器线圈Lm匝数相等而且绕在同一高频铁芯上，η≥2，实现稳态均压；在每个高频变压器线圈Lm两端并接由二极管D1和钳位电容C2组成的串联电路， 其中，在与第一个高频电力电子开关并接的串联电路的二极管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。在相邻串联电路的二极管Dl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，通过二极管D2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中的电荷全部汇集到并接在第一个高频电力电子开关的钳位电容C2中，利用钳位 电容C2、二极管Dl和电容Cl的串联电路钳位，在动态时吸纳过压电荷，实现动态均压，并在 稳态时通过高频变压器线圈Lm将动态时吸纳的过压电荷释放到电源。方案1的进一步特征是，在电源两端并联由η个倍压整流电路串联组成的能量反 馈电路，每个倍压整流电路包括两个串联的二极管Dm、两个串联的电容Cm以及与高频变压 器线圈Lm耦合的高频变压器副边线圈Lm'，高频变压器副边线圈Lm'的一端与两个串联 的二极管Dm的连接点相连，另一端与两个串联的电容Cm的连接点相连。方案1的又一个进一步特征是，将串联连接的η个高频电力电子开关和并接在每 个高频电力电子开关两端的电容Cl、二极管D1、钳位电容C2和二极管D2封装在一个模块 中。方案2多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，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，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 ^ 2，实现稳态均 压；在每个高频变压器线圈Lm-I两端并接由二极管D-I和钳位电容C2_l组成的串联 电路，在每个串联电路的二极管Dl-I两端分别并联辅助电子开关G-1，辅助电子开关G-I与 高频电力电子开关互补导通，利用电容C1-1、二极管Dl-I和钳位电容C2-1的串联电路钳 位，在动态时吸纳过压电荷，实现动态均压，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。本实用新型的有益效果在于本实用新型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。本实用新型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(a)是晶闸管串联时用阻容吸收电路均压。(b)是高频电力电子开关串联时用稳压电路均压。[0021]图2是η只高频电力电子开关串联时利用高频变压器稳态均压的原理电路图。图3(a)是通态下一只高频电力电子开关两端的电压关系；(b)是断态下一只高频 电力电子开关两端的电压关系。图4是本实用新型方案1电路的第一种具体实例电路图。图5是本实用新型方案1电路的第二种具体实例电路图。图6是本实用新型方案1电路的第三种具体实例电路图。图7是本实用新型方案2电路的一种具体实例电路图。
具体实施方式
本实用新型电路稳态均压的理论基础参见图2、图3，图2中在η个串联连接的高 频电力电子开关Kl、Κ2、... Kn的每个高频电力电子开关上并联由电容Cl和高频变压器线 圈Lm串联的电路，η个高频电力电子开关ΚΙ、Κ2、. . . Kn导通时，每个高频电力电子开关的 端电压Uk近于零Uk = Ucl+ULffl ^ 0。此时每个电容上的电压Ucl必定与跟它相串联的高频 变压器线圈的电压队m相等而相反，如图3(a)所示。由于各高频变压器线圈的电压皆相等，Uurl = ULm_2 =…=ULm_n,故各电容上的电压也必然相等。UCh = UC1_2 =…=Ucl_n。η个高频电力电子开关关断时，Uk =队1+队 1各个高频电力电子开关上的电容电压 Ucl不会很快改变，它们仍然基本相等。与之相串联的各高频变压器线圈的电压队m也因在 同一变压器上而相等，但极性与电容电压极性相同，如图3(b)所示。于是各高频电力电子 开关的端电压也相等，Uki = Uk2 =…=Um,即各高频电力电子开关得以均压。本实用新型动态均压的关键是利用钳位电容在动态时吸纳过压电荷，利用高频变 压器线圈在稳态时释放此电荷到电源。
以下结合附图进一步说明本实用新型。下述具体实施例用来解释说明本实用新 型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实 用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。方案1 参照图4，多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，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，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和高频变压器线圈Lm串 联组成的均压电路，η个高频变压器线圈Lm匝数相等而且绕在同一高频铁芯上，η彡2，实 现稳态均压；在每个高频变压器线圈Lm两端并接由二极管Dl和钳位电容C2组成的串联电路， 其中，在与第一个高频电力电子开关Kl并接的串联电路的二极管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。在相邻串联电路的二极管Dl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，通过二极管D2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中的电荷全部汇集到并接在第一个高频电力电子开关Kl的钳位电容C2中，利用 钳位电容C2、二极管Dl和电容Cl的串联电路钳位，在动态时吸纳过压电荷，实现动态均压， 并在稳态时通过高频变压器线圈Lm将动态时吸纳的过压电荷释放到电源。二极管Dl、辅助电子开关G的极性要满足这样充放电的要求。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D1、钳位电容C2和电容Cl的串联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，与其对应的电容Cl、钳位电容C2被充电，被充 电的电容Cl、钳位电容C2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，实现动态均压。充进与第一只高频电力电子开关对应的电容Cl、钳位电容C2的能量必须要释放 出来。第一个高频电力电子开关对应的钳位电容C2上的能量通过辅助电子开关G向对应 的高频变压器线圈Lm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两 端的电压升高，由于η个高频变压器线圈Lm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两端的电压都升高，通过η个高频变压器线圈Lm与η个电容Cl 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。同时η个电容Cl与η个 高频变压器线圈Lm总电压之和大于η个高频电力电子开关两端的电压之和，高出的这部分 能量将释放到并联在电源两端的电容C中，实现能量反馈。当其他η-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Κ2…Kn上 电压高于与其对应的电容Cl加钳位电容C2上的电压时，高频电力电子开关Κ2…Kn各自对 应的二极管Dl导通，各自对应的电容Cl、钳位电容C2开始被充电，被充电的电容Cl上能 量的释放与Kl关断时能量释放原理相同，此处不再过多描述。被充电的钳位电容C2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η-1只钳位电容 C2中的电荷全部汇集到并接在第一个电子开关对应的钳位电容C2中，再由第一个电子开 关对应的钳位电容C2进行释放，此时能量释放的原理与Kl关断时的钳位电容C2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1的进一步特征，参照图5，在电源Ud两端并联由η个倍压整流电路串联组成 的能量反馈的电路，每个倍压整流电路包括两个串联的二极管Dm、两个串联的电容Cm以及 与高频变压器线圈Lm耦合的高频变压器副边线圈Lm'，高频变压器副边线圈Lm'的一端 与两个串联的二极管Dm的连接点相连，另一端与两个串联的电容Cm的连接点相连。当η个高频电力电子开关导通和关断时，其动态均压原理与图4相同，但动态时 钳位电容吸纳的过压电荷可通过高频变压器副边线圈Lm'和倍压整流电路释放到电源Ud 中。为了减少连接线分布电感的影响，可将串联连接的η个高频电力电子开关Κ1、 Κ2、···Κη和并接在每个高频电力电子开关两端的电容Cl、二极管D1、钳位电容C2和二极管 D2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6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’、钳位电容C2’和电容Cl’的串联电 路，将该串联电路与η个高频电力电子开关Κ1、Κ2、…Kn装在一个模块中，将每个高频电力电子开关两端电容Cl’的负极分别与各自对应开关两端的电容Cl的负极相连，将第一个 高频电力电子开关Kl对应的二极管D1’的阴极与二极管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，还可采用在第一个高频电力电 子开关Kl对应的二极管D1’的阴极与二极管Dl的阴极相连的连接线上串联电阻r。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4相同。方案2 参见图7，多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，η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；在每个高频变压器线圈Lm-I两端并接由二极管Dl-I和钳位电容C2_l组成的串 联电路，在每个串联电路的二极管Dl-I两端分别并联辅助电子开关G-I，辅助电子开关G-I 与高频电力电子开关互补导通，这样的电路使得高频电力电子开关在关断时可能出现的过 电压会被电容C1-1、二极管D1-1、钳位电容C2-1的串联电路钳位，在动态时吸纳过压电荷， 实现动态均压，钳位时充入的电荷会在稳态时经过辅助电子开关G-I释放，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。二极管Dl-I、辅助电子开关 G-I的极性要满足这样充放电的要求。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D1-1、钳位电容C2-1和电容Cl-I组成的串联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，与其对应的电容C1-1、钳位电容 C2-1被充电，被充电的电容Cl-I、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，实现动态均压。充进与第一只高频电力电子开关对应的电容C1-1、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上的能量通过与其对应的辅助 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。同时η个电容Cl-I与η个高频变压器线圈Lm-I总电压之和大于η个高频电力电 子开关两端的电压之和，高出的这部分能量将释放到并联在电源两端的电容C中，实现能 量反馈。当其他η-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Κ2. . . Kn 上电压高于与其对应的电容Cl-I加钳位电容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，各自对应的电容C1-1、钳位电容C2-1开始被充电，被充电的电容C1-1、钳位电容C2-1上能量的释放与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。
权利要求多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，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和高频变压器线圈Lm串联组成的均压电路，n个高频变压器线圈Lm匝数相等而且绕在同一高频铁芯上，n≥2，实现稳态均压；在每个高频变压器线圈Lm两端并接由二极管D1和钳位电容C2组成的串联电路，其中，在与第一个高频电力电子开关(K1)并接的串联电路的二极管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。在相邻串联电路的二极管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，通过二极管D2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中的电荷全部汇集到并接在第一个高频电力电子开关(K1)的钳位电容C2中，利用钳位电容C2、二极管D1和电容C1的串联电路钳位，在动态时吸纳过压电荷，实现动态均压，并在稳态时通过高频变压器线圈Lm将动态时吸纳的过压电荷释放到电源。
2.根据权利要求1所述的多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，其特征是在 电源(Ud)两端并联由η个倍压整流电路串联组成的能量反馈电路，每个倍压整流电路包括 两个串联的二极管Dm、两个串联的电容Cm以及与高频变压器线圈Lm耦合的高频变压器副 边线圈Lm'，高频变压器副边线圈Lm'的一端与两个串联的二极管Dm的连接点相连，另一 端与两个串联的电容Cm的连接点相连。
3.根据权利要求1所述的多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，其特征是将 串联连接的η个高频电力电子开关(Κ1、Κ2、···Κη)和并接在每个高频电力电子开关两端的 电容Cl、二极管D1、钳位电容C2和二极管D2封装在一个模块中。
4.根据权利要求1所述的多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，其特征是每 个高频电力电子开关两端分别再并联由二极管D1’、钳位电容C2’和电容Cl’的串联电路， 将该串联电路与η个高频电力电子开关(Κ1、Κ2、…Kn)装在一个模块中，将每个高频电力 电子开关两端电容Cl’的负极分别与各自对应开关两端的电容Cl的负极相连，将第一个高 频电力电子开关(Kl)对应的二极管D1’的阴极与二极管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。
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电路，其特征是在 第一个高频电力电子开关(Kl)对应的二极管D1’的阴极与二极管Dl的阴极相连的连接线 上串联电阻r。
6.多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，其特征是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≥2，实现稳态均压；在每个高频变压器线圈Lm-I两端并接由二极管D-I和钳位电容C2-1组成的串联电 路，在每个串联电路的二极管Dl-I两端分别并联辅助电子开关G-1，辅助电子开关G-I与高 频电力电子开关互补导通，利用电容C1-1、二极管Dl-I和钳位电容C2-1的串联电路钳位，在动态时吸纳过压电荷，实现动态均压，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。
专利摘要本实用新型公开的多个高频电力电子器件串联时实现均压的电路，采用在每个高频电力电子开关上并联由电容和高频变压器线圈串联组成的均压电路，使n只高频电力电子开关稳态均压；在每个高频电力电子开关接入由二极管和钳位电容组成的钳位电路，利用钳位电容在动态时吸纳过压电荷，实现动态均压，并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。本实用新型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H02M3/06GK201674394SQ20102018020
公开日2010年12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, 盛况 申请人:浙江大学