一种三电平电路和三相电路的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种三电平电路和三相电路。

背景技术：

图1示出了一种典型的三电平电路，包括4个开关管t1～t4和8个二极管d1～d8，其中：t1的第一引脚接正母线p，t1的第二引脚接t2的第一引脚和d5的阴极，t2的第二引脚接d3的阴极，d5的阳极接d6的阴极，d3、d6的阳极接d4的阴极，d4的阳极接负母线q；t4的第二引脚接负母线q，t4的第一引脚接t3的第二引脚和d8的阳极，t3的第一引脚接d2的阳极，d8的阴极接d7的阳极，d7、d2的阴极接d1的阳极，d1的阴极接正母线p；d5、d7的阳极接母线中点n，d3的阴极、d2的阳极作为ac端。

将开关管ti(i＝1，2，3，4)的状态用si表示，si＝1表示开通，si＝0表示关断，用(s1s2s3s4)表示图1的模态，(1100)模态下ac为+1电平、(0110)模态下ac为0电平、(0011)模态下ac为-1电平。下面，分析图1的换流过程：

在ac从+1电平切换成0电平时，假定电流的流向向内，则如图2所示(虚线为换流前、实线为换流后，下同)，电流从ac→d2→d1→p换流到ac→t3→d8→n，换流过程中d2承受反向电压，产生反向恢复损耗，d2的热应力增加。在ac从-1电平切换成0电平时，假定电流的流向向外，则如图3所示，电流从q→d4→d3→ac换流到n→d5→t2→ac，换流过程中d3承受反向电压，产生反向恢复损耗，d3的热应力增加。而热应力增加的后果就是d2、d3不能使用工频二极管，必须使用高频二极管，这增加了系统硬件成本；而且换流过程中d2、d3产生的反向恢复损耗也降低了系统转换效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种三电平电路和三相电路，以降低d2和d3的反向电压。

一种三电平电路，包括4个开关管t1～t4、8个二极管d1～d8以及2个限流器件，其中：

t1的第一引脚接正母线，t1的第二引脚接t2的第一引脚和d5的阴极，t2的第二引脚接d3的阴极，d5的阳极接d6的阴极，d3、d6的阳极接d4的阴极，d4的阳极接负母线；

t4的第二引脚接负母线，t4的第一引脚接t3的第二引脚和d8的阳极，t3的第一引脚接d2的阳极，d8的阴极接d7的阳极，d7、d2的阴极接d1的阳极，d1的阴极接正母线；

d5、d7的阳极接母线中点，d3的阴极、d2的阳极作为ac端；

d5、d7的阴极通过一个限流器件相连；

d6、d8的阳极通过另一限流器件相连。

可选的，所述限流器件为电阻。

可选的，所述限流器件为电感。

可选的，所述限流器件为二极管，具体的：

d5、d7的阴极通过二极管d9相连，d9的阴极接d5的阴极，d9的阳极接d7的阴极；

d6、d8的阳极通过二极管d10相连，d10的阴极接d6的阳极，d10的阳极接d8的阳极。

可选的，所述限流器件为贴片元件。

可选的，所述限流器件为多个不同类型的元器件的串并联组合体，所述元器件包括电阻、电感和二极管中的至少两个。

可选的，所述三电平电路中的开关管为igbt、mosfet或三极管。

可选的，所述三电平电路中的t1、t2、d3、d4、d5、d6封装在一个铜基板单元内，t3、t4、d1、d2、d7、d8封装在另一铜基板单元内。

可选的，所述三电平电路还包括2个熔丝，所述2个熔丝与所述2个限流器件一对一串联连接。

一种三相电路，所述三相电路中的每一相都采用如上述公开的任一种三电平电路。

从上述的技术方案可以看出，本发明将d5、d7的阴极通过第一限流器件100相连、同时将d6、d8的阳极通过第二限流器件200相连，这样d2的反向电压被t2钳位为0、d3的反向电压被t3钳位为0，解决了现有技术存在的问题。而且，本发明虽然会导致d6、d7上有电流流过，但第二限流器件200会限制d6的流经电流、第一限流器件100会限制d7的流经电流，并不会造成d6、d7过流损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中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为现有技术公开的一种三电平电路结构示意图；

图2为图1所示三电平电路中的一种换流过程示意图；

图3为图1所示三电平电路中的又一种换流过程示意图；

图4为本发明实施例公开的一种三电平电路结构示意图；

图5为图4所示三电平电路中的一种换流过程示意图；

图6为图4所示三电平电路中的又一种换流过程示意图；

图7为本发明实施例公开的一种应用于图4所示三电平电路中的限流器件结构示意图；

图8为本发明实施例公开的又一种应用于图4所示三电平电路中的限流器件结构示意图；

图9为本发明实施例公开的又一种应用于图4所示三电平电路中的限流器件结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图4，本发明实施例公开了一种三电平电路，包括4个开关管t1～t4、8个二极管d1～d8、一个第一限流器件100和一个第二限流器件200，其中：

t1的第一引脚接正母线p，t1的第二引脚接t2的第一引脚和d5的阴极，t2的第二引脚接d3的阴极，d5的阳极接d6的阴极，d3、d6的阳极接d4的阴极，d4的阳极接负母线q；

t4的第二引脚接负母线q，t4的第一引脚接t3的第二引脚和d8的阳极，t3的第一引脚接d2的阳极，d8的阴极接d7的阳极，d7、d2的阴极接d1的阳极，d1的阴极接正母线p；

d5、d7的阳极接母线中点n，d3的阴极、d2的阳极作为ac端；

d5、d7的阴极通过第一限流器件100相连；

d6、d8的阳极通过第二限流器件200相连。

可见，本发明实施例是在图1的基础上，将d5、d7的阴极通过第一限流器件100相连、同时将d6、d8的阳极通过第二限流器件200相连而得到的。仍是将开关管ti(i＝1，2，3，4)的状态用si表示，si＝1表示开通，si＝0表示关断，用(s1s2s3s4)表示图4的模态，(1100)模态下ac为+1电平、(0110)模态下ac为0电平、(0011)模态下ac为-1电平。下面，分析图4的换流过程：

在ac从+1电平切换成0电平时，假定电流的流向向内，则对应的换流过程如图5所示，换流前电流的通路为ac→d2→d1→p，换流后电流有两条通路，即ac→t3→d8→n和ac→t3→第二限流器件200→d6→n；换流过程中t2一直维持在导通状态，而且没有电流流经第一限流器件100，所以第一限流器件100上没有压降，这样d2在换流前后的电压降始终被钳位在t2的正向导通压降、接近为0，产生接近于0的反向恢复损耗，不会增加d2的热应力。

其中需要说明的是，在图1中d6为钳位二极管，并不流通电流，因此d6在选型时选择的额定标称电流很小，而图5中换流后虽然有电流流过d6，但流过d6的电流很小并不会造成d6过流损坏，所以无需将d6替换为额定标称电流更大的二极管，因为：换流后两条支路并联运行，由于d6与第二限流器件200串联后的总阻抗大于d8的总阻抗，所以大部分的电流会流过ac→t3→d8→n支路，而只有小部分的电流流过ac→t3→第二限流器件200→d6→n支路，即第二限流器件200的存在起到了限制d6的流经电流的作用，因而不会造成d6过流损坏。

在ac从-1电平切换成0电平时，假定电流的流向向外，则如图6所示，换流前电流的通路为q→d4→d3→ac，换流后电流有两条通路，即n→d5→t2→ac和n→d7→第一限流器件100→t2→ac，换流过程中t3一直维持在导通状态，而且没有电流流经第二限流器件200，所以第二限流器件200上没有压降，这样d3在换流前后的电压降始终被钳位在t3的正向导通压降、接近为0，产生接近于0的反向恢复损耗，不会增加d3的热应力。

其中需要说明的是，在图1中d7为钳位二极管，并不流通电流，因此d7在选型时选择的额定标称电流很小，而图6中换流后虽然有电流流过d7，但流过d7的电流很小并不会造成d7过流损坏，所以无需将d7替换为额定标称电流更大的二极管，因为：换流后两条支路并联运行，由于d7与第一限流器件100串联后的总阻抗大于d5的总阻抗，所以大部分的电流会流过n→d5→t2→ac支路，而只有小部分的电流流过n→d7→第一限流器件100→t2→ac支路，即第一限流器件100的存在起到了限制d7的流经电流的作用，因而不会造成d7过流损坏。

综上所述，本发明实施例将d5、d7的阴极通过第一限流器件100相连、同时将d6、d8的阳极通过第二限流器件200相连，这样在换流后d2的反向电压被t2钳位为0、d3的反向电压被t3钳位为0，所以d2、d3的反向恢复损耗为零，不会增加d2、d3的热应力，从而d2、d3完全可以采用工频开关管，并不必须采用成本更高的高频开关管；而且由于d2、d3的反向恢复损耗为零，所以d2、d3不管是采用工频开关管时还是高频开关管时，都提高了系统转换效率。另外，本发明实施例虽然会导致d6、d7上有电流流过，但第二限流器件200会限制d6的流经电流、第一限流器件100会限制d7的流经电流，并不会造成d6、d7过流损坏。

可选的，第一限流器件100、第二限流器件200可以采用电阻，例如图7所示，第一限流器件100采用电阻r1、第二限流器件200采用电阻r2。

或者，第一限流器件100、第二限流器件200也可以采用电感，例如图8所示，第一限流器件100采用电感l1、第二限流器件200采用电感l2。

或者，第一限流器件100、第二限流器件200也可以采用二极管，例如图9所示，第一限流器件100采用二极管d9、第二限流器件200采用二极管d10，具体的，d9的阴极接d5的阴极，d9的阳极接d7的阴极，d10的阴极接d6的阳极，d10的阳极接d8的阳极。

或者，第一限流器件100、第二限流器件200也可以设计为多个不同类型的元器件的串并联组合体，所述元器件为电阻、电感、二极管中的至少两个。

可选的，上述电阻可以是贴片电阻，相较于普通电阻，贴片电阻耐潮湿和高温，温度系数小，而且能够大大节约电路空间成本，使设计更精细化。此外，上述电感可以是贴片电感，上述二极管可以是贴片二极管。

其中，本发明实施例中所述的开关管可以为igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极晶体管)，可以为mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，也可以为三极管。当开关管为igbt时，开关管的第一引脚为igbt的集电极，开关管的第二引脚为igbt的发射极。当开关管为mosfet时，开关管的第一引脚为mosfet的漏极，开关管的第二引脚为mosfet的源极。当开关管为三极管时，开关管的第一引脚为三极管的集电极，开关管的第二引脚为三极管的发射极。图4～图9中仅以开关管为igbt作为示例。

可选的，在将上述公开的任一种三电平电路封装成一个模块的时候，本发明实施例根据三电平电路输出电流的方向，将整个三电平电路分成两个部分，具体是将t1、t2、d3、d4、d5、d6封装在一个铜基板单元内，将t3、t4、d1、d2、d7、d8封装在另一铜基板单元内。这样做的好处是减小三电平电路内部的环流路径，降低杂散电感，进而降低开关管在动作过程中的尖峰电压应力，提高开关管的使用寿命及开关速度。其中，第一限流器件100、第二限流器件200可以同时封装在上述任一个铜基板单元内，也可以各自封装在上述两个铜基板单元内。或者，也可以将第一限流器件100、第二限流器件200置于上述两个铜基板单元外部。

可选的，上述公开的任一种三电平电路还包括：与第一限流器件100串联的第一熔丝，用于在第一限流器件100的流经电流失控而过大时，断开第二限流器件200所在通路；与第二限流器件200串联的第二熔丝，用于在第二限流器件200的流经电流失控而过大时，断开第二限流器件200所在通路。

此外，本发明实施例还公开了一种三相电路，所述三相电路中的每一相都采用上述公开的任一种三电平电路。

本说明书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。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。