本公开涉及电子电力技术领域，特别涉及一种预充电装置以及应用该预充电装置的变频器。
背景技术：
随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来。以高压大功率变频器为例，除了包含整流电路、逆变电路以及滤波电路等部分之外，直流母线需要设置有预充电装置；预充电装置可以起到对于电源接通瞬间对电容器充电的电流进行限制的作用，从而可以保护逆变器的元件不会因电容器瞬间的短路电流而损坏。
高压大功率变频器中直流母线电压可高达上万伏，所以预充电装置的绝缘是一个难点。而且在包含飞跨电容的多电平电路中，各电容器需要预充电的电压各不相同，带来了成本、体积和复杂度的问题。
以上问题对于要求高效率、高功率密度、高可靠性和低成本的变频器来说是一个挑战。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现要素：
本公开的目的在于提供一种预充电装置以及应用该预充电装置的变频器，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。
本公开的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的一个方面，提供一种预充电装置，应用于飞跨电容型多电平变流电路：
所述多电平变流电路包括：
一飞跨电容、一母线电容、一第一半导体组件、一第二半导体组件；其中，所述第一半导体组件电性连接于所述飞跨电容的第一端和所述母线电容的第一端之间，所述第二半导体组件电性连接于所述飞跨电容的第二端和所述母线电容的第二端之间；
所述预充电装置包括：
一交流源；
一辅助电路，与所述交流源电性连接；
其中，所述辅助电路复用所述第一半导体组件与所述第二半导体组件，且所述交流源通过所述辅助电路给所述飞跨电容和所述母线电容充电。
在本公开的一种示例性实施例中：
所述母线电容包含：串联连接的一第一母线电容和一第二母线电容，且所述第一母线电容和所述第二母线电容电性连接于一第一中心点；
所述辅助电路还包含：串联连接的一第一辅助电容和一第二辅助电容，且所述第一辅助电容和所述第二辅助电容电性连接于一第二中心点；
其中，所述交流源的输出端电性连接于所述第一中心点和所述第二中心点之间。
在本公开的一种示例性实施例中，所述辅助电路还包括：
一第三半导体组件，所述第三半导体组件电性连接于所述第一中心点和所述第一辅助电容的第一端之间；
一第四半导体组件，所述第四半导体组件电性连接于所述第一中心点和所述第二辅助电容的第二端之间；
一第五半导体组件，所述第五半导体组件电性连接于所述飞跨电容的第一端和所述第一辅助电容的第一端之间；
一第六半导体组件，所述第六半导体组件电性连接于所述飞跨电容的第二端和所述第二辅助电容的第二端之间；
其中，所述第一辅助电容的第二端和第二辅助电容的第一端电性连接于第二中心点。
在本公开的一种示例性实施例中，所述辅助电路还包括：
一第一电阻，与所述第五半导体组件串联，且所述第五半导体组件通过所述第一电阻电性连接于所述飞跨电容的第一端；
一第二电阻，与所述第六半导体组件串联，且所述第六半导体组件通过所述第二电阻电性连接于飞跨电容的第二端。
在本公开的一种示例性实施例中，所述交流源还包括：
一整流电路，将一第一交流电压进行整流，以产生一直流电压；
一逆变电路，将所述直流电压进行逆变，以产生一次侧交流电压；
一升压变压器，将所述一次侧交流电压进行升压，以产生所述交流源的输出电压。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一交流电压为电网电压。
在本公开的一种示例性实施例中，所述交流源的输出电压的频率不小于10khz。
在本公开的一种示例性实施例中，所述交流源的输出电压的正负半波相互对称。
在本公开的一种示例性实施例中，所述多电平变流电路为多电平整流电路或者多电平逆变电路。
在本公开的一种示例性实施例中，所述多电平变流电路为三电平变流电路或者五电平变流电路。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一半导体组件以及所述第二半导体组件为igbt开关中的反并联二极管。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第三半导体组件、所述第四半导体组件、所述第五半导体组件及所述第六半导体组件均为二极管。
根据本公开的一个方面，提供一种预充电装置，应用于飞跨电容型多电平变流电路：
所述多电平变流电路包括：
一母线电容，包含串联连接的一第一母线电容和一第二母线电容，且所述第一母线电容和所述第二母线电容电性连接于一第一中心点；
n个飞跨电容；其中n为大于1的整数；
n个第一半导体组件；其中，第n个所述第一半导体组件电性连接于第n个所述飞跨电容的第一端和所述母线电容的第一端之间；以及
n个第二半导体组件；其中，第n个所述第二半导体组件电性连接于第n个所述飞跨电容的第二端和所述母线电容的第二端之间；
所述预充电装置包括：
一交流源，与一辅助电路电性连接且所述交流源通过所述辅助电路给所述飞跨电容和所述母线电容充电；
所述辅助电路复用所述第一半导体组件与所述第二半导体组件且所述辅助电路还包括：
一第一辅助电容；
一第二辅助电容，所述第二辅助电容的第一端电性连接于所述第一辅助电容的第二端；
一第三半导体组件，所述第三半导体组件电性连接于所述第一中心点和所述第一辅助电容的第一端之间；
一第四半导体组件，所述第四半导体组件电性连接于所述第一中心点和所述第二辅助电容的第二端之间；
n个第五半导体组件；其中，第n个所述第五半导体组件电性连接于第n个所述飞跨电容的第一端和所述第一辅助电容的第一端之间；
n个第六半导体组件；其中，第n个所述第六半导体组件电性连接于第n个所述飞跨电容的第二端和所述第二辅助电容的第二端之间。
在本公开的一种示例性实施例中，所述预充电装置还包括：
n个第一电阻；其中，第n个所述第五半导体组件通过第n个所述第一电阻电性连接于第n个所述飞跨电容的第一端；以及
n个第二电阻；其中，第n个所述第六半导体组件通过第n个所述第二电阻电性连接于第n个所述飞跨电容的第二端。
根据本公开的一个方面，提供一种变频器，包括飞跨电容型多电平变流电路以及根据上述任意一项所述飞跨电容和所述母线电容充电的电流进行限制，进而可以保护多电平变流电路中的元件不会因各电容瞬间的短路电流而损坏；而且，由于复用了多电平变流电路中原有的器件，因此可以减少预充电装置所需的器件，进而可以减小预充电装置的体积以及降低预充电装置的成本。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是一种五电平整流电路及其预充电装置的电路示意图。
图2是本公开示例性实施例中一种多电平整流电路及其预充电装置的方框图。
图3是本公开示例性实施例中一种五电平整流电路及其预充电装置的电路示意图。
图4是本公开示例性实施例中一种三电平整流电路及其预充电装置的电路示意图。
图5是本公开示例性实施例中另一种五电平整流电路及其预充电装置的电路示意图。
图6是本公开示例性实施例中一种交流源的电路示意图。
图7是本公开示例性实施例中一种交流源的工频输入电压波形。
图8是本公开示例性实施例中一种交流源的驱动电压和输出电压波形图。
图9是本公开示例性实施例中一种五电平整流电路的飞跨电容和母线电容预充电电压波形图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的结构、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、部件或者操作以避免模糊本公开的各方面。
参考图1中所示，示例性的示出了一种五电平整流电路的预充电技术方案。其中是在电网侧设置高压型真空接触器k1～k3以及功率电阻rs1～rs3，再配合五电平整流电路中开关管的开关状态完成飞跨电容cf1、cf2以及母线电容cb1、cb2的预充电。具体工作过程是，在五电平整流电路启动时，通过控制开关管s1和开关管s2关断、开关管s3和开关管s4导通以及真空接触器k1～k3断开，使电网输出经过限流电阻rs1～rs3以及电路中的二极管为飞跨电容cf1、cf2以及母线电容cb1、cb2预充电。当飞跨电容cf1、cf2电压达到预定值后，控制开关管s3和开关管s4关断，继续母线电容cb1、cb2的预充电。当母线电容cb1、cb2的电压也达到预定值后，控制真空接触器k1～k3闭合以旁路功率电阻rs1～rs3，完成预充电过程。
图1中技术方案的主要不足表现在高压型真空接触器和功率电阻体积较大，成本较高，不利于变频器小型化和轻量化。在变频器需要频繁启动的场合，真空接触器也要频繁的闭合、断开，长期工作不仅减少真空接触器的寿命，而且会因触头接触不良等原因影响变频器正常工作。基于此，本示例实施方式中提供了一种新的预充电装置，从而在一定程度上解决部分或全部上述问题。
本示例实施方式中提供的预充电装置可以应用于飞跨电容型多电平变流电路。参考图2中所示，所述多电平变流电路10至少包括飞跨电容cf、母线电容cb、第一半导体组件d1以及第二半导体组件d2。其中，所述第一半导体组件d1电性连接于所述飞跨电容cf的第一端和所述母线电容cb的第一端之间，所述第二半导体组件d2电性连接于所述飞跨电容cf的第二端和所述母线电容cb的第二端之间。继续参考图2中所示，本示例实施方式中所提供的预充电装置可以包括一交流源ua以及一辅助电路20。其中，交流源ua可以用于提供交流电压，所述辅助电路20可以复用上述第一半导体组件d1与所述第二半导体组件d2，并且所述辅助电路20与所述交流源ua电性连接，所述交流源ua可以通过所述辅助电路20给所述飞跨电容cf和所述母线电容cb充电，从而可以在电源接通瞬间对所述飞跨电容cf和所述母线电容cb充电的电流进行限制，从而可以保护多电平变流电路中的元件不会因各电容瞬间的短路电流而损坏；而且，由于复用了多电平变流电路中原有的器件，因此可以减少预充电装置所需的器件，进而可以减小预充电装置的体积以及降低预充电装置的成本。
下面将结合具体的多电平变流电路对本示例实施方式中的预充电装置进行进一步的说明。
参考图3中所示，以五电平整流电路为例，其中，母线电容cb可以包含串联的一第一母线电容cb1和一第二母线电容cb2，并且所述第一母线电容cb1和所述第二母线电容cb2电性连接于一第一中心点o1，例如，所述第一母线电容cb1的第二端和所述第二母线电容cb2的第一端连接于所述第一中心点o1等。同样的，所述辅助电路还可以包含串联的一第一辅助电容ca1和一第二辅助电容ca2，且所述第一辅助电容ca1和所述第二辅助电容ca2电性连接于一第二中心点o2，例如，所述第一辅助电容ca1的第二端和所述第二辅助电容ca2的第一端连接于所述第二中心点o2等。其中，所述交流源的输出端电性连接于所述第一中心点o1和所述第二中心点o2之间。此外，本领域技术人员容易理解的是，包含其他数量电容的技术方案同样属于本公开的保护范围。
继续参考图3中所示，本示例实施方式中，所述辅助电路还可以包括一第三半导体组件d31、一第四半导体组件d41、一第五半导体组件d51以及一第六半导体组件d61。其中，所述第三半导体组件d31电性连接于所述第一中心点o1和所述第一辅助电容ca1的第一端之间。所述第四半导体组件d41电性连接于所述第一中心点o1和所述第二辅助电容ca2的第二端之间。所述第五半导体组件d51电性连接于所述飞跨电容(图3中是由第一飞跨电容cf1和第二飞跨电容cf2串联组成)的第一端和所述第一辅助电容ca1的第一端之间。所述第六半导体组件d61，所述第六半导体组件d61电性连接于所述飞跨电容(图3中是由第一飞跨电容cf1和第二飞跨电容cf2串联组成)的第二端和所述第二辅助电容ca2的第二端之间。
本示例实施方式中，利用辅助电路中第一辅助电容ca1、第二辅助电容ca2、第三半导体组件d31、第四半导体组件d41、第五半导体组件d51以及第六半导体组件d61，再复用五电平整流电路中的第一半导体组件d11和d12、第二半导体组件d21和d22，共同组成倍压整流电路，从而可以将上述交流源输出的交流信号进行整流以及升压，为五电平整流电路中母线电容以及飞跨电容充电。但在本公开的其他示例性实施例中，辅助电路中也可以通过包括其他组件或者利用其他连接方式实现的电路与五电平整流电路中的半导体组件共同组成倍压整流电路，这些均属于本公开的保护范围。
继续参考图3中所示，本示例实施方式中，所述辅助电路还可以包括一第一电阻r11以及一第二电阻r21。其中，所述第一电阻r11与所述第五半导体组件d51串联，且所述第五半导体组件d51通过所述第一电阻r11电性连接于所述飞跨电容的第一端。所述第二电阻r21与所述第六半导体组件d61串联，且所述第六半导体组件d61通过所述第二电阻r21电性连接于飞跨电容的第二端。在整流电路接入电网正常运行后，直流母线和飞跨电容的电压会存在波动，s1点的电位可能高于o1点，通过设置第一电阻r11则可以限制所在支路的电流，同理，s2点的电位可能高于o1点，通过设置需要第二电阻r21则可以限制所在支路的电流。因此，通过设置第一电阻r11和第二电阻r21，可以对五电平整流电路起到保护作用。当然，本领域技术人员容易理解的是，在本公开其他示例性实施例中，上述辅助电路也可以进一步包括其他组件，本示例性实施例中对此不做特殊限定。
继续参考图3中所示，多电平变流电路中的开关管s1～s4可以为igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)开关。所述第一半导体组件d11和d12、第二半导体组件d21和d22、所述第三半导体组件d31、所述第四半导体组件d41、所述第五半导体组件d51及所述第六半导体组件d61可以均为二极管，使控制更加简单。但需要说明的是，本示例性实施例中并不以此为限，多电平变流电路中的开关管也可以为mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应管)开关或者bjt(bipolarjunctiontransistor，双极结型晶体管)开关等，所述第一至第六半导体组件也可以为其他半导体组件或者包括多个串联的二极管，例如在图3中，第一半导体组件d11和d12包括2个串联的二极管，第二半导体组件d21和d22同样包括2个串联的二极管；在图4中，所述第一半导体组以及第二半导体组件分别可以为igbt开关s1和igbt开关s4中的反并联二极管等等。
本示例实施方式中，在多电平变流电路用于多相交流输入的处理时，所述多电平变流电路还可以包括另外更多组所述第一半导体组件、所述第二半导体组件以及所述飞跨电容；所述辅助电路还相应包括更多组所述第五半导体组件d51以及所述第六半导体组件d61，还可以还相应包括更多组所述第一电阻r11以及所述第二电阻r21。例如：所述多电平变流电路可以包括n(n为大于1的整数)个飞跨电容、n个第一半导体组件以及n个第二半导体组件；其中，第n个所述第一半导体组件电性连接于第n个所述飞跨电容的第一端和所述母线电容的第一端之间；第n个所述第二半导体组件电性连接于第n个所述飞跨电容的第二端和所述母线电容的第二端之间。所述预充电装置可以包括n个第五半导体组件以及n个第六半导体组件；其中，第n个所述第五半导体组件电性连接于第n个所述飞跨电容的第一端和所述第一辅助电容的第一端之间；第n个所述第六半导体组件电性连接于第n个所述飞跨电容的第二端和所述第二辅助电容的第二端之间。在其他示例性实施例中，所述预充电装置还可以包括n个第一电阻以及n个第二电阻；其中，第n个所述第五半导体组件通过第n个所述第一电阻电性连接于第n个所述飞跨电容的第一端；第n个所述第六半导体组件通过第n个所述第二电阻电性连接于第n个所述飞跨电容的第二端。
举例而言，继续参考图3中所示，其中的五电平整流电路用于对三相交流输入进行处理，则五电平整流电路还可以包括另外两组所述第一半导体组件d11和d12、所述第二半导体组件d21和d22以及所述飞跨电容；所述辅助电路还相应包括更多组所述第五半导体组件d51以及所述第六半导体组件d61(例如，第五半导体组件d52、d53，第六半导体组件d62、d63)，还可以还相应包括更多组所述第一电阻r11以及所述第二电阻r21(例如，第一电阻r12、r13，第二电阻r22、r23)。
此外，本示例实施方式中所述多电平变流电路是以多电平整流电路为例进行说明，但在本公开的其他示例性实施例中，也可以为多电平逆变电路。同时，所述多电平变流电路是以五电平变流电路为例进行说明，但在本公开的其他示例性实施例中，可以为三电平变流电路，还可以为七电平变流电路其他多电平变流电路；例如，参考图4中所示，即为本示例实施方式中的预充电装置在三电平整流电路中应用。同时，即使是同一类型的变流电路，也可能采用不同的拓扑方式和不同的组件实现；例如，参考图5中所示，即为本示例实施方式中的预充电装置在另一种拓扑方式的五电平整流电路中应用；此外，所述多电平变流电路除了整流模块，还可以包括滤波模块等其他部分，例如图3～图5中所示的多电平变流电路还包括由电容cg1～cg3、电阻rg1～rg3以及电感lg1～l2组成的滤波模块。由上可知，本示例实施方式中对于预充电装置使用的具体飞跨电容型多电平变流电路的结构并不进行特殊限定。
进一步的，本示例实施方式中还提供一种上述辅助电路中交流源的实现方式。举例而言，所述交流源可以包括一整流电路、一逆变电路以及一升压变压器，此外还可以包括控制电路等其他部分。其中，所述整流电路可以用于将一第一交流电压进行整流，以产生一直流电压；所述逆变电路可以用于将所述直流电压进行逆变，以产生一次侧交流电压；所述升压变压器可以用于将所述一次侧交流电压进行升压，以产生所述交流源的输出电压，且所述交流源的输出电压可以为相互对称的正负半波。参考图6中所示，为交流源中整流电路、逆变电路以及升压变压器示意图。其中，所述第一交流电压可以为电网电压ui，电网电压ui经过有二极管d10～d40组成的整流电路进行不控整流以及电容c的滤波后得到一个直流电压，该直流电压经过由开关管s10～s40组成的全桥逆变电路逆变成高频正负方波，该高频正负方波由高压高频升压变压器tr升压后供给上述辅助电路。本示例实施方式中，高压高频升压变压器tr输出的高频正负方波的频率不小于10khz，例如可以为15khz、20khz等；并且，所述交流源的输出的高频正负方波中正负半波相互对称。在图6中，全桥逆变电路可以采用双极性调制，即开关管s10和开关管s40同开同关，开关管s20和开关管s30同开同关，占空比约50％。例如，图7中示出了辅助电路中交流源接收的电网电压ui的波形，图8是控制电路输出的驱动信号和高压高频升压变压器输出电压波形，其中s10,s20,s30,s40表示控制电路输出的驱动信号，高电平表示开通信号，低电平表示关断信号，ua表示高压高频升压变压器输出的高频正负方波电压。但本领域技术人员容易理解的是，本示例实施方式中交流源的逆变电路部分并不局限于双极性调制的全桥逆变电路，也可能为如半桥电路或者推挽电路等其他方式。交流源的整流部分亦不局限于不控整流，亦可为全控整流等其他方式，本发明不限于此。
下面，以图3中的五电平整流电路为例，对于本示例实施方式中预充电装置的工作过程进行进一步的说明：当电压源输出到第一中心点o1的高频正负方波ua为正电平ua时，高频正负方波ua通过第三半导体组件d31为第一辅助电容ca1充电，通过第二半导体组件d21和d22、第二电阻r21以及第六半导体组件d61为第二母线电容cb2以及第二辅助电容ca2充电，通过第五半导体组件d51、第一电阻r11、第二电阻r21以及第六半导体组件d61为第一飞跨电容cf1以及第二飞跨电容cf2充电，并且第二辅助电容ca2放电。当电压源输出到第一中心点o1的高频正负方波ua为负电平-ua时，高频正负方波ua通过第四半导体组件d41为第二辅助电容ca2充电，通过第五半导体组件d51、第一电阻r11以及第一半导体组件d11和d12为第一母线电容cb1以及第一辅助电容ca1充电，通过第五半导体组件d51、第一电阻r11、第二电阻r21以及第六半导体组件d61为第一飞跨电容cf1以及第二飞跨电容cf2充电，并且第一辅助电容ca1放电。最终稳态时，第一飞跨电容cf1的电容电压为ua，第二飞跨电容cf2的的电容电压为ua，第一母线电容cb1的电容电压为2ua，第二母线电容cb2的电容电压为2ua，第一辅助电容ca1的电容电压为ua，第二辅助电容ca2的电容电压为ua。例如，图9中示出了本示例实施方式中预充电装置对于飞跨电容和母线电容的预充电电压波形，可以看出其满足五电平变频器飞跨电容和母线电容预充电电压要求。
进一步的，本示例实施方式中还提供了一种变频器。该变频器包括飞跨电容型多电平变流电路以及上述任意一种预充电装置。由于采用了上述的预充电装置，因此该变频器至少具备上述预充电装置带来的全部优点，对此本示例实施方式中不再赘述。
综上所述，本示例实施方式中所提供的预充电装置，通过设置复用多电平变流电路中的第一半导体组件以及第二半导体组件的辅助电路，交流源可以通过辅助电路给多电平变流电路中的飞跨电容和母线电容充电，从而可以对电源接通瞬间对所述飞跨电容和所述母线电容充电的电流进行限制，进而可以保护多电平变流电路中的元件不会因各电容瞬间的短路电流而损坏；而且，由于复用了多电平变流电路中原有的器件，因此可以减少预充电装置所需的器件，进而可以减小预充电装置的体积以及降低预充电装置的成本。此外，本示例实施方式中是上下母线预充电，因此还能够大大降低高压高频升压变压器的绝缘应力，有利于变压器的绝缘设计。
本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反地，在不脱离本公开的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本公开的专利保护范围。