一种开关驱动电路及应用其的多电平级联功率单元拓扑的制作方法

本发明涉及驱动电路领域，特别涉及一种开关驱动电路及应用其的多电平级联功率单元拓扑。

背景技术：

多电平级联拓扑，例如无功补偿、变频器、直流配电网等，广泛的应用在中高压电网领域，例如电力、轨道交通以及新能源领域。为了保证多电平级联设备的安全可靠运行，需要设计旁路功能。当级联的某一级功率单元发生故障时，功率单元内部的旁路功能将此故障单元旁路，避免故障扩大化，维持设备继续正常运行，避免造成更大的经济损失。

但是，目前多电平级联功率单元的旁路开关驱动电路中，其供电电源大多采用开关电源。开关电源由于工作频率高、使用非线性器件，导致噪声大、传导严重，产生的电磁辐射对其他电子线路干扰严重，影响其正常工作。

线性电源具有结构简单、无需额外控制和无开关噪声等优点，特别适合于小功率应用场合。但是其输入电压范围较低，不适合使用在大于800v以上的应用场合，同时线性电源输出电压也较低。而级联多电平功率单元中旁路开关供电电源输入电压往往都在1400v以上，输出电压为220v或者400v。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种开关驱动电路，能够有效提高多电平级联功率单元的工作可靠性。

根据本发明的第一方面，提供一种开关驱动电路，包括：

充电开关k1以及储能线性放电组件，外部电源通过所述充电开关k1与所述储能线性放电组件电性连接以形成充电回路；

驱动线圈l1以及可控开关q2，所述驱动线圈l1能够驱动外部的旁路触点开关k2，所述可控开关q2能够根据外部控制信号来通断，所述驱动线圈l1与所述可控开关q2串联形成串联支路并且该串联支路与所述储能线性放电组件连接以形成供电回路。

优选地，所述驱动线圈l1能够驱动所述充电开关k1，并且所述充电开关k1与外部的旁路触点开关k2的通断状态相反。

优选地，所述储能线性放电组件包括储能电容c1和放电电阻r3，所述储能电容c1和所述放电电阻r3并联。

优选地，所述可控开关q2为可控硅。

优选地，还包括供电电源，所述供电电源通过所述充电开关k1与所述储能线性放电组件电性连接，外部的功率单元与所述所述供电电源电性连接为所述充电回路充电。

优选地，所述供电电源为线性电源。

优选地，所述线性电源包括限流电阻r1、稳压模块、开关管q1、二极管d1和电阻r2；外部电源的一极与所述限流电阻r1的一端和开关管q1的输入端电性连接，所述限流电阻r1的另一端与所述稳压模块的一端和开关管q1的控制端电性连接，所述稳压模块的另一端与外部电源的另一极和所述充电回路的一端电性连接；所述开关管q1的输出端与所述二极管d1的一端电性连接，所述二极管d1的另一端与所述电阻r2的一端电性连接，所述电阻r2的另一端与所述充电回路的另一端电性连接。

上述任一技术方案至少具有以下有益效果：

当功率单元出现故障或需要检修时，可控开关q2接收到上级的控制导通信号，可控开关q2导通，充电开关k1断开。储能线性放电组件、驱动线圈l1和导通的可控开关q2形成闭合环路，储能线性放电组件中存储的能量通过该闭合环路释放，为驱动线圈l1提供合闸所需的能量和高压，驱动线圈l1将旁路触点开关k2闭合导通。闭合导通的旁路触点开关k2将与之并联的功率单元的交流输出端短路，实现了功率单元的旁路的可靠合闸。充电开关k1的断开，切除外部电源与后级电路的联系，减小对外部电源的功率冲击。

通过合理控制可控开关q2，可实现旁路的可靠合闸。同时，本发明简化的设计，降低设计的成本，具有很高的可靠性和实用性。

根据本发明的第二方面，提供一种多电平级联功率单元拓扑，包括上述任一所述的开关驱动电路、旁路触点开关k2和功率单元，所述开关驱动电路能够驱动所述旁路触点开关k2，所述旁路触点开关k2与所述功率单元的交流输出端并联。

优选地，还包括级联支路，所述功率单元有多个，多个所述功率单元首尾相连形成所述级联支路。

优选地，还包括级联模块，所述级联支路有多条，多条所述级联支路连接以形成所述级联模块。

有益效果：通过合理控制多电平级联功率单元的旁路开关驱动电路，可实现旁路的可靠合闸。同时，本发明简化的设计，降低设计的成本，具有很高的可靠性和实用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1为本发明开关驱动电路实施例电路图；

图2为本发明功率单元电路图；

图3为本发明开关驱动电路另一实施例电路图；

图4为本发明多电平级联功率单元拓扑电路图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1和图2，展示了一种开关驱动电路，包括充电开关k1、及储能线性放电组件2、驱动线圈l1和可控开关q2；外部电源通过充电开关k1与储能线性放电组件2电性连接以形成充电回路；驱动线圈l1能够驱动外部的旁路触点开关k2，可控开关q2能够根据外部控制信号来通断，驱动线圈l1与可控开关q2串联形成串联支路并且该串联支路与储能线性放电组件2连接以形成供电回路。

当功率单元3出现故障或需要检修时，可控开关q2接收到上级的控制导通信号，储能线性放电组件2、驱动线圈l1和导通的可控开关q2形成闭合环路，储能线性放电组件2中存储的能量通过该闭合环路释放，提供了驱动线圈l1合闸所需的能量和高压，驱动线圈l1将旁路触点开关k2闭合。闭合导通的旁路触点开关k2将与之并联的功率单元3的交流输出端短路。当旁路触点开关k2闭合时，充电开关k1也将断开，切除供电电源1与后级电路的联系，减小对供电电源1的功率冲击。旁路触点开关k2是自锁的，触发即保持闭合状态，实现了功率单元3的旁路的可靠合闸。在检修完功率单元3后，手动分闸旁路触点开关k2，联通供电电源1与后级电路，为下一次功率单元3启动充电做准备。

本实施例具有结构简单、输入工作电压范围宽、输出电压高，满足了驱动线圈l1的工作电压的要求。通过合理控制可控开关q2，可实现旁路的可靠合闸。同时，本实施例简化的设计，降低设计成本，具有很高的可靠性和实用性。

在某一实施例中，驱动线圈l1还能够驱动充电开关k1，控制充电开关k1导通和断开，并且充电开关k1与外部的旁路触点开关k2的通断状态相反。这样可以进一步简化电路的结构，降低本实施例的成本。当然，在实际应用中，充电开关k1也可以单独由其他驱动线圈l1控制，或者替换为可控开关由外部信号控制，并不局限于此。

在某一实施例中，驱动线圈l1和旁路触点开关k2集成在一个电气元件上，例如真空接触器或断路器。当然，还可以是驱动线圈l1、旁路触点开关k2和充电开关k1都集成在一个电气元件上，并不局限于此。这样可以进一步简化电路的结构，降低本实施例的成本。并且，真空接触器具有合闸时间短、无弹跳、无误动作和拒动作的优点，提高本实施例的工作可靠性。

参照图1，在某一实施例中，储能线性放电组件2包括储能电容c1和放电电阻r3，储能电容c1和放电电阻r3并联。储能电容c1在可控开关q2导通释放能量时，可以通过放电电阻r3快速消耗多余的能量，减少对其他电路的电磁干扰。当然，储能线性放电组件2也可以由多个电阻或储能电容c1相互并联或串联的方式组成，并不局限于此。

在某一实施例中，可控开关q2为可控硅。可控硅具有体积小、效率高、寿命长等优点。

在某一实施例中，还包括供电电源1，供电电源1通过充电开关k1与储能线性放电组件2电性连接，外部的功率单元3与供电电源1电性连接为充电回路充电。该供电电源1为线性电源，也可以是非线性电源。该线性电源包括限流电阻r1、稳压模块、开关管q1、二极管d1和电阻r2；外部电源的一极与限流电阻r1的一端和开关管q1的输入端电性连接，限流电阻r1的另一端与稳压模块的一端和开关管q1的控制端电性连接，稳压模块的另一端与外部电源的另一极和充电回路的一端电性连接；开关管q1的输出端与二极管d1的一端电性连接，二极管d1的另一端与电阻r2的一端电性连接，电阻r2的另一端与充电回路的另一端电性连接。线性电源具有结构简单、无需额外控制和无开关噪声等优点。

在某一实施例中，开关管q1为金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管，并不局限于此。金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管具有耐压高、电流大和易驱动优点。

在某一实施例中，稳压模块包括一个稳压管，其阴极与限流电阻r1和开关管q1的控制端电性连接，稳压模块的另一端为线性电源的一输入端和一输出端。参照图3，在实际的应用中，稳压模块也可以是由二个或二个以上的稳压管相互串联而成，并不局限于此。多个稳压管相互串联可提高线性电源的输出电压。

在某一实施例中，稳压管为齐纳二极管或瞬态抑制二极管，并不局限于此。齐纳二极管或瞬态抑制二极管响应速度快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

参照图1和图2，展示了一种多电平级联功率单元拓扑，包括上述任一的一种开关驱动电路、旁路触点开关k2和功率单元3，开关驱动电路能够驱动旁路触点开关k2，旁路触点开关k2与功率单元3的交流输出端并联。

当功率单元3启动充电时，能通过供电电源1和h桥的连接给储能线性放电组件2充电。当功率单元3启动完成后，供电电源1补充放电电阻r3和储能线性放电组件2损耗的能量。此时能量较小，供电电源1发热小，可满足设计要求。当功率单元3需要检修时，旁路触点开关k2将与之并联的功率单元3的交流输出端短路后，可使整个功率单元3失电，与之相连的多电平级联功率单元的旁路开关驱动电路也彻底失电。提高整个驱动电路的可靠性，减少了电能的消耗。当然在实际的应用中，供电电源1的输入端也可以接入其他外部电源，并不局限于此。

参照图4，在某一实施例中，还包括级联支路4，功率单元3有多个，多个功率单元3首尾相连形成级联支路4，多条级联支路4连接以形成级联模块5。在三相电力系统中，有三条级联支路4连接形成级联模块5，级联模块5再与三相电力系统电性连接。与现有技术相比，提高了该三相电电力系统的稳定性。同时，本实施例简化设计，降低成本，具有很高的可靠性和实用性。当然，在实际的应用中，该级联电路4也可以应用在高压静止无功发生器或者中压变频器中，并不局限于此。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。