一种三电平制动单元及备用桥臂单元的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种三电平制动单元及备用桥臂单元。

背景技术：

三电平制动单元是实现中高压变频器中电机快速制动或位移负载可靠运行的重要部件。当变频器减速停机时，电机仍处于发电状态，此时电力变换设备的母线电压迅速升高，若不采取措施，将会引起直流母线过压等故障。

常见的三电平制动单元有如下两种，一种为如图1所示的四元件加单电阻制动单元，其采用四只分离元器件分装，与三电平通用的桥臂模块不一致，需要重新设计驱动板，在安装时无法将其全部集成到机器内部，只能外置再增加外部散热器、外引铜排等器件，成本较高且装配复杂。另一种为单桥臂加单电阻制动单元，虽然其集成度较高，可置于机器内部，但是在制动时，由于缺少均压措施，内部元器件会由于过压而损坏，稳定性差。

因此，如何提供一种高集成度、高稳定性的三电平制动单元是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术缺陷，本实用新型采用的技术方案在于，提供一种三电平制动单元及备用桥臂单元，可提高设备的集成度和系统的稳定性。

本实用新型提供一种三电平制动单元，包括：

稳压平衡模块、制动桥臂模块、制动电阻模块，并依次相连；

其中，所述稳压平衡模块用于将整流单元输出的直流脉动电压滤波形成带有中点电位的母线电压，所述制动桥臂模块将根据所述稳压平衡模块输出的所述母线电压与所述制动电阻模块配合实现所述母线电压的制动，保证所述中点电位平衡；

其中，所述制动电阻模块包括第一制动电阻、第二制动电阻，所述第一制动电阻和所述第二制动电阻的阻值相同。

在本实用新型提供的三电平制动单元中，所述稳压平衡模块包括高电位端、中点电位端、低电位端、第一电容、第二电容；

所述第一电容第一端与所述的高电位端连接，所述第一电容第二端与所述中点电位端连接，所述第二电容第一端与所述低电位端连接，所述第二电容第二端与所述中点电位端连接。

在本实用新型提供的三电平制动单元中，所述高电位端和所述中点电位端间的电位差为上母线电压，所述中点电位端和所述低电位端间的电位差为下母线电压，所述高电位端和所述低电位端间的电位差为母线电压。

在本实用新型提供的三电平制动单元中，所述制动桥臂模块包括第一开关管、第一续流二极管、第二开关管、第二续流二极管、第三开关管、第三续流二极管、第四开关管、第四续流二极管、第一钳位二极管、第二钳位二极管；

所述第一开关管的集电极与所述高电位端连接，所述第一开关管的发射极与所述第一续流二极管的正极连接，所述第一续流二极管的负极与所述的集电极连接，所述第一开关管的发射极与所述第二开关管的集电极连接，所述第二开关管的发射极与所述第二续流二极管的正极连接，所述第二续流二极管的负极与所述第二开关管的集电极连接，所述第三开关管的集电极与所述第二开关管的发射极连接，所述第三开关管的发射极与所述第三续流二极管的正极连接，所述第三续流二极管的负极与所述第三开关管的集电极连接，所述第四开关管的集电极与所述第三开关管的发射极连接，所述第四开关管的发射极与所述第四续流二极管的正极连接，所述第四续流二极管的负极与所述第四开关管的集电极连接，所述第四开关管的发射极与所述低电位端连接，所述第一钳位二极管的正极与所述中点电位端和所述第二钳位二极管的负极连接，所述第一钳位二极管的负极与所述第一开关管的发射极和所述第二开关管的集电极连接，所述第二钳位二极管的正极与所述第三开关管的发射极和所述第四开关管的集电极连接。

在本实用新型提供的三电平制动单元中，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管为绝缘栅双极型晶体管。

在本实用新型提供的三电平制动单元中，还包括接口模块，所述接口模块连接在所述制动桥臂模块和所述制动电阻模块之间。

在本实用新型提供的三电平制动单元中，所述接口模块包括第一电路接口、第二电路接口、第三电路接口；

所述第一电路接口的一端与所述第一开关管的发射极与所述第二开关管的集电极连接，所述第一电路接口的另一端与所述第一制动电阻的一端连接，所述第二电路接口的一端与所述第二开关管的发射极与所述第三开关管的集电极连接，所述第二电路接口的另一端与所述第一制动电阻的另一端和所述第二制动电阻的一端连接，所述第三电路接口的一端与所述第三开关管的发射极与所述第四开关管的集电极连接，所述第三电路接口的另一端与所述第二制动电阻的另一端连接。

在本实用新型还提供一种备用桥臂单元，该备用桥臂单元包括稳压平衡模块、制动桥臂模块、U相桥臂模块、V相桥臂模块、W相桥臂模块，其中所述U相桥臂模块、所述V相桥臂模块、所述W相桥臂模块与所述制动桥臂模块结构相同。

本实用新型提供的三电平制动单元同时克服了现有技术的元件多、装配复杂、集成度低和制动单元中开关管元件不均压的缺点，提供了一种高集成度和高稳定性的制动单元，还提供一种备用桥臂单元，当三电平桥臂中的某一相桥臂出现故障时，能替代故障桥臂工作，大大缩短了故障停机的时间，减小对生产的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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为现有技术中提供的一种四元件加单电阻制动单元的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中提供的一种三电平制动单元的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中提供的一种三电平制动单元的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中提供的另一种三电平制动单元的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中提供的一种三电平制动单元的备用桥臂单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本实用新型，而非用以限制本实用新型。

本实用新型提供了一种三电平制动单元，可提高设备的集成度和系统的稳定性。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图2为本实用新型实施例提供的一种三电平制动单元结构图。如图2所示，该制动单元，包括稳压平衡模块1、制动桥臂模块2、制动电阻模块3，其3个模块依次相连，稳压平衡模块1用于将整流单元输出的直流脉动电压滤波形成带有中点电位的直流母线电压，制动桥臂模块2将根据稳压平衡模块1输出的电压与制动电阻模块3配合实现母线电压的制动，保证中点电位平衡。

图3为本实用新型实施例提供的一种三电平制动单元电路图。具体地，如图3所示，稳压平衡模块1包括高电位端DC+、中点电位端DCM、低电位端DC-、第一电容C11、第二电容C12；

其中，第一电容C11第一端与母线电压高电位端DC+连接，第一电容C11第二端与中点电位端DCM连接，第二电容C12第一端与母线电压低电位端DC-连接，第二电容C12第二端与中点电位端DCM连接，其中高电位端DC+和中点电位端DCM间的电位差为上母线电压V1，中点电位端DCM和低电位端DC-间的电位差为下母线电压V2，高电位端DC+和低电位端DC-间的电位差为母线电压V3，第一电容C11与第二电容C12的电容量相同，当稳态工作时V1约等于V2，此时中点电位平衡。

制动桥臂模块2包括第一开关管Q11、第一续流二极管D11、第二开关管Q12、第二续流二极管D12、第三开关管Q13、第三续流二极管D13、第四开关管Q14、第四续流二极管D14、第一钳位二极管D21、第二钳位二极管D22；

其中，第一开关管Q11的集电极与母线电压的高电位端DC+连接，第一开关管Q11的发射极与第一续流二极管D11的正极连接，第一续流二极管D11的负极与Q11的集电极连接，第一开关管Q11的发射极与第二开关管Q12的集电极连接，第二开关管Q12的发射极与第二续流二极管D12的正极连接，第二续流二极管D12的负极与第二开关管Q12的集电极连接，第三开关管Q13的集电极与第二开关管Q12的发射极连接，第三开关管Q13的发射极与第三续流二极管D13的正极连接，第三续流二极管D13的负极与第三开关管Q13的集电极连接，第四开关管Q14的集电极与第三开关管Q13的发射极连接，第四开关管Q14的发射极与第四续流二极管D14的正极连接，第四续流二极管D14的负极与第四开关管Q14的集电极连接，第四开关管Q14的发射极与母线电压低电位端DC-连接，第一钳位二极管D21的正极与中点电位端DCM和第二钳位二极管D22的负极连接，第一钳位二极管D21的负极与第一开关管Q11的发射极和第二开关管Q12的集电极连接，第二钳位二极管D22的正极与第三开关管Q13的发射极和第四开关管Q14的集电极连接，实现电容中点钳位功能。

本实用新型中，所述第一开关管Q11、第二开关管Q12、第三开关管Q13、第四开关管Q14可以是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。

制动电阻模块3包括第一制动电阻R11、第二制动电阻R12；

其中，第一制动电阻R11一端连接第一开关管的Q11的发射极和第二开关管Q12的集电极，第一制动电阻R11的另一端与第二制动电阻R12的一端和第二开关管Q12的发射极以及第三开关管Q13的集电极连接，第二制动电阻R12的另一端与第三开关管Q13的发射极和第四开关管Q14的集电极连接。

其中，第一制动电阻R11和第二制动电阻R12的阻值相同，保证在制动过程中，制动桥臂模块2内各元器件承受均压，避免各元器件因过压而损坏。

为了进一步理解本实用新型提供的三电平制动单元，下面对图3所示的三电平制动单元的工作原理进行描述。

在图3中，变频器的母线电压高电位端DC+、低电位端DC-分别电连接C11正极和C12负极。也就是说，母线电压V3直接加载到串联的C11和C12上。由于C11和C12电容相同，所以C11和C12上的负压均为母线电压Udc的一半，从而可以保证Q11、Q12、Q13、Q14可选择低耐压的I GBT。

全母线制动过程为：当母线电压V3高于预设阀值Ua时,Q11和Q14同时导通,Q12和Q13同时关断，制动电流经过DC+→Q11→制动电阻R11→制动电阻R12→Q14→DC-完成对第一母线C11和第二母线电容C12的放电，当制动结束后，V1＝V2，保证中点电位平衡，此时Q11和Q14同时关断。在此过程中由于R11和R12电流相同，加上阻值相同，因此其两端电压相同为V3/2，即Q12和Q13的端电压为V3/2,避免了单电阻方案不均压的发生。而钳位二极管D21、D22各自承受半母线电压，大大减小了开关管因过压损坏的风险。

半母线的制动过程为：当上母线电压V1高于预设阈值Ub时，其中Ub＝Ua/2，Q11导通，Q12、Q13和Q14同时关断，制动电流经过DC+→Q11→制动电阻R11→制动电阻R12→D22→DCM完成对第一电容C11的放电，当制动结束后V1＝V2，保证中点电位平衡，此时Q11关断；当下半母线电压V2高于预设阀值Ub时，其中Ub＝Ua/2，将Q14导通，Q11、Q12和Q13同时关断，制动电流经过DCM→D21→制动电阻R11→制动电阻R12→Q14→DC-完成对第二电容C2的放电，当制动结束后V1＝V2，保证中点电位平衡，此时Q14关断。在此过程中，Q12和Q13承受母线电压V3的四分之一，Q11和Q14承受母线电压V3的二分之一，避免了开关管因过压损坏的风险。

半母线快速制动过程为：当上母线电压V1高于预设阈值Ub时，其中Ub＝Ua/2，Q11和Q12同时导通,Q13和Q14同时关断，制动电流经过DC+→Q11→Q12→制动电阻R12→D22→DCM完成对第一电容C11的放电；当下母线电压V2高于预设阈值Ub时，其中Ub＝Ua/2，将Q13、Q14导通，Q11、Q12关断。制动电流经过DCM→D21→制动电阻R11→Q13→Q14→DC-完成对第二电容C12的放电，制动结束后V1＝V2，从而保证中点电位平衡，此时Q11和Q12同时关断。由于所采用的制动电阻阻值减半，半母线快速制动功能的制动效果比半母线制动功能更为显著，但是制动损耗也更大，适用于动态调节过程中短时间的半母线失控工况。在单只制动电阻(如第一制动电阻R11)开路损坏后，也可以临时切换到此制动模式。

如图4所示，本实用新型实施例还提供一种三电平制动单元，还包括接口模块4，所述接口模块4连接在制动桥臂模块2和制动电阻模块3之间,接口模块4，其中，接口模块4包括第一电路接口T1、第二电路接口T2、第三电路接口T3，第一电路接口T1的一端与第一开关管Q11的发射极与第二开关管Q12的集电极连接，第一电路接口T1的另一端与第一制动电阻R11的一端连接，第二电路接口T2的一端与第二开关管Q12的发射极与第三开关管Q13的集电极连接，第二电路接口T2的另一端与第一制动电阻R11的另一端和第二制动电阻R12的一端连接，第三电路接口T3的一端与第三开关管Q13的发射极与第四开关管Q14的集电极连接，第三电路接口T3的另一端与第二制动电阻R12的另一端连接，接口模块4通过T1、T2、T3三个电路接口将制动电阻模块3与制动桥臂模块2连接与断开。

如图5所示，本实用新型实施例还提供一种三电平制动单元的备用桥臂单元，包括稳压平衡模块1、制动桥臂模块2、U相桥臂模块5、V相桥臂模块6、W相桥臂模块7，U相桥臂模块5、V相桥臂模块6、W相桥臂模块7与制动桥臂模块2结构相同，制动桥臂模块2、U相桥臂模块5、V相桥臂模块6、W相桥臂模块7并联后与稳压平衡模块1连接，且均通过第一钳位二极管D21与第二钳位二极管D22之间的节点与中点电位端DCM连接，由于制动桥臂模块2与三电平桥臂模块中的U相桥臂模块5、V相桥臂模块6、W相桥臂模块7的电路结构相同，当U、V、W相中的某一相桥臂模块出现故障，例如W相桥臂模块7出现故障时，可以将其旁路，断开T1、T2、T3三个电路接口与制动电阻模块3的连接，并将T2与输出端子连接以输出功率，只需将驱动信号电缆、检测电缆、输出电缆做相应的切换，使得制动桥臂模块2可代替W相桥臂模块7工作，因此可将制动桥臂模块2作为备用桥臂，当三电平桥臂模块中的某相出现故障时，可快速用制动桥臂模块2代替，大大缩短了故障停机的时间，减小对生产的影响。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，尚且本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。