單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法
2024-02-11 04:59:15 1
專利名稱：單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法
技術領域：
本發明涉及多個高頻電力電子器件(簡稱多管)串聯時實現均壓的方法，屬於電 力電子技術領域。
背景技術：
在高電壓工作下，一個器件不夠，往往需要幾個器件串聯起來承受高電壓。為了解 決多管串聯時的均壓問題，現行辦法可歸納為四類。第一類辦法兩個逆導晶閘管串聯。為了使兩管均壓，在每管上並聯了 RC阻容吸 收電路。但它們會引起相當大的損耗，尤其在電壓較高、頻率較高、di/dt及dv/dt較大和 要求均壓較好等場合。這是最簡單的均壓辦法，效果最差。對於高頻電力電子(絕緣柵雙 極型電晶體)等工作在高頻下的器件，上述辦法往往是不合適的，因為RC阻容不可能絕對 無感超過穩壓管的閾值電壓時穩壓管進行鉗位，限制電壓的進一步上升。這種辦法看起來 很簡單，但實際上在高電壓下要組成多個獨立的穩壓電力電子電路卻比較複雜，而且效率 也較低。或者也可不用穩壓電路消耗此能量，而將此能量充入到另外的鉗位電路中去。第二類辦法鉗位耗能辦法。在每隻管子兩端並接了以穩壓管示意的穩壓裝置。當 管子的端電壓超過穩壓管的閾值電壓時穩壓管進行鉗位，限制電壓的進一步上升。這種辦 法看起來很簡單，但實際上在高電壓下要組成多個獨立的穩壓電力電子電路卻比較複雜， 而且效率也較低。或者也可不用穩壓電路消耗此能量，而將此能量充入到另外的鉗位電路 中去，但充入鉗位電路的能量如何反饋回電源，比較複雜。有些裝置將充入鉗位電路的能量 用旁路電阻消耗掉，但在高頻工作下此損耗很大。第三類辦法控制各主開關的驅動系統以達到動態均壓，它對控制要求較高，目前 大多處於研究開發中，還不能適用於較多隻隨意管子在各種工作條件下的串聯。第四類辦法，也是目前用得最多的辦法就是採用多電平、級聯式等複雜而昂貴的 主電路來解決。
發明內容
本發明的目的是提供一種單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多個高頻電力電子 器件(簡稱多管)串聯均壓的方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是採用在每個高頻電力電子開關上並 聯由二極體和電容串聯組成的鉗位電路，利用鉗位電容在動態時吸納過壓電荷，實現動態 電壓鉗位，利用高頻變壓器線圈與電容串聯實現穩態均壓，在穩態時通過高頻變壓器將動 態時吸納的過壓電荷釋放到電源，實現能量反饋，同時在每個高頻電力電子開關上並聯電 阻，實現靜態均壓。具體有以下兩種技術方案。方案1 單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，其特徵是η個串聯連接 的高頻電力電子開關與負載R-I串聯以後並接在電源兩端，電源的兩端並聯電容C-1，負載R-I上反並二極體D-1，在每個高頻電力電子開關上並聯由電容Cl-I和高頻變壓器線圈 Lm-I串聯組成的均壓電路，η個高頻變壓器線圈Lm-I匝數相等而且繞在同一高頻鐵芯上， η彡2，實現穩態均壓； 在每個高頻電力電子開關兩端並接由二極體Dl-I和鉗位電容C2-1串聯組成的鉗 位電路，在與第一個高頻電力電子開關並接的鉗位電路的二極體Dl-I兩端並聯一隻輔助 電子開關G-1，在相鄰鉗位電路的二極體Dl-I與鉗位電容C2-1的連接點之間接入二極體 D2-1，下一級二極體D2-1的陰極接到上一級二極體D2-1的陽極；通過二極體D2-1在高頻 電力電子開關開通期間將動態時充入除第一隻以外的η-1隻鉗位電容C2-1中的電荷全部 匯集到並接在第一個電子開關兩端的鉗位電容C2-1中，利用鉗位電容在動態時吸納過壓 電荷，實現動態電壓鉗位，並在穩態時通過高頻變壓器線圈Lm-I將動態時吸納的過壓電荷 釋放到電源。同時在每個高頻電力電子開關上並聯電阻Rm-I，實現靜態均壓。方案2:單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，其特徵是η個串聯連接 的高頻電力電子開關與負載R串聯以後並接在電源兩端，η > 2，電源的兩端並聯電容C，負 載R上反並二極體D，在每個高頻電力電子開關上並聯了由二極體Dl和電容Cl串聯組成 的鉗位電路，在相鄰鉗位電路的二極體Dl和電容Cl連接點之間接入二極體D2，下一級二 極管D2的陰極接到上一級二極體D2的陽極；在與第一個高頻電力電子開關並接的鉗位電 路的二極體Dl兩端並聯一隻輔助電子開關G，輔助電子開關G與高頻電力電子開關互補導 通，第一個高頻電力電子開關的始端和末端以及最後第η個開關的末端均有線引出接到外 部電路上，外部電路由電容C3、具有3個出線端的自耦式高頻變壓器和電容C4串聯組成， 電容C3的始端接到第一個高頻電力電子開關的始端；電容C3的末端接到自耦式高頻變壓 器的第一個出線端；自耦式高頻變壓器的第二個出線端接到第一個高頻電力電子開關的末 端；自耦式高頻變壓器的第三個出線端接到電容C4的始端；電容C4的末端接到第η個開關 的末端，自耦式高頻變壓器第一至第二出線端之間的匝數W12與第二至第三出線端之間的 匝數W23之比為W12 W23 = 1 (η-1)；利用自耦式高頻變壓器對第一隻高頻電力電子開關 的電壓進行鉗位，利用二極體D2使各個高頻電力電子開關對應的電容Cl的電壓均不超過 第一個高頻電力電子開關對應的電容Cl的電壓，其餘各只高頻電力電子開關的鉗位電壓 都與第一隻高頻電力電子開關的鉗位電壓相同，實現穩態均壓和動態電壓鉗位，並在穩態 時通過自耦式高頻變壓器將動態時吸納的過壓電荷釋放到電源。同時在每個高頻電力電子 開關上並聯電阻Rm，實現靜態均壓。本發明的有益效果在於本發明利用鉗位電容在高頻電力電子開關動態時吸納過壓電荷，利用自耦式高頻變壓器在高頻電力電子開關穩態時釋放吸納的過壓電荷到電源，實現多個高頻電力電子器 件串聯時均壓。本發明可以實現多個高頻電力電子器件串聯時穩態均壓，動態均壓，能量反 饋。有利於降低成本和推動高電壓、高頻率電力電子技術在工業中的發展和應用。
圖1是本發明的一種具體實例電路圖。圖2是本發明的另一種具體實例電路圖。
圖3是本發明的第三種具體實例電路圖。
具體實施例方式以下結合附圖進一步說明本發明。下述具體實施例用來解釋說明本發明，而不是 對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改 和改變，都落入本發明的保護範圍。方案1 參照圖1，單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，η個串聯連接 的高頻電力電子開關Κ1、Κ2、…Kn與負載R串聯以後並接在電源Ud兩端，電源的兩端並聯 電容C，負載R上反並二極體D，在每個高頻電力電子開關上並聯由電容Cl-I和高頻變壓器 線圈Lm-I串聯組成的均壓電路，η個高頻變壓器線圈Lm-I匝數相等而且繞在同一高頻鐵 芯上，η彡2，實現穩態均壓；在每個高頻電力電子開關兩端並接由二極體Dl-I和鉗位電容C2-1串聯組成的鉗 位電路，在與第一個高頻電力電子開關Kl並接的鉗位電路的二極體Dl-I兩端並聯一隻輔 助電子開關G-1，在相鄰鉗位電路的二極體Dl-I與鉗位電容C2-1的連接點之間接入二極體 D2-1，下一級二極體D2-1的陰極接到上一級二極體D2-1的陽極；通過二極體D2-1在高頻 電力電子開關開通期間將動態時充入除第一隻以外的η-1隻鉗位電容C2-1中的電荷全部 匯集到並接在第一個電子開關兩端的鉗位電容C2-1中，利用鉗位電容在動態時吸納過壓 電荷，實現動態電壓鉗位，並在穩態時通過高頻變壓器線圈Lm-I將動態時吸納的過壓電荷 釋放到電源。同時在每個高頻電力電子開關上並聯電阻Rm-I，實現靜態均壓。工作原理利用電容Cl-I與高頻變壓器線圈Lm-I的串聯實現穩態均壓。電容Cl-I兩端電 壓基本在高頻電力電子開關導通和關斷期間基本保持不變，η個高頻變壓器線圈Lm-I匝數 相等而且繞在同一高頻鐵芯上，η > 2，因此η個高頻變壓器線圈Lm-I兩端電壓時刻相等， 以此來實現穩態均壓。(一 )關斷過程當高頻電力電子開關Kl上有過電壓產生時，利用與高頻電力電子開關Kl相對應 的二極體Dl-I和鉗位電容C2-1串聯組成的鉗位電路對高頻電力電子開關Kl進行鉗位。與 第一隻高頻電力電子開關對應的二極體Dl-I開通時，與其對應的鉗位電容C2-1被充電，被 充電的鉗位電容C2-1限制了高頻電力電子開關Kl兩端電壓的上升，使得高頻電力電子開 關Kl兩端電壓始終鉗位在額定工作電壓，實現動態電壓鉗位。充進與第一隻高頻電力電子開關對應的鉗位電容C2-1的能量必須要釋放出來。 第一個高頻電力電子開關兩端的鉗位電容C2-1上的能量通過輔助電子開關G-I向對應的 高頻變壓器線圈Lm-I釋放，使得與第一隻高頻電力電子開關對應的高頻變壓器線圈Lm-I 兩端的電壓升高，由於η個高頻變壓器線圈Lm-I匝數相等而且繞在同一高頻鐵芯上，所以 其他η-1個高頻變壓器線圈Lm-I兩端的電壓都升高，通過η個高頻變壓器線圈Lm-I與η個 電容Cl-I的串聯將鉗位時吸收的能量反饋到並聯在電源兩端的電容C中，實現能量反饋。類似地，其他η-1個高頻電力電子開關關斷時，當高頻電力電子開關Κ2…Kn上電 壓高於與其對應的鉗位電容C2-1上的電壓時，高頻電力電子開關Κ2…Kn各自對應的二極體Dl-I導通，各自對應的鉗位電容C2-1開始被充電，被充電的鉗位電容C2-1上能量的釋 放通過二極體D2-1在高頻電力電子開關開通期間將除第一隻以外的n-1隻鉗位電容C2-1 中的電荷全部匯集到並接在第一個電子開關兩端的鉗位電容C2-1中，再由第一個電子開 關兩端的鉗位電容C2-1進行釋放，此時能量釋放的原理與Kl關斷時能量釋放原理相同，此 處不再過多描述。( 二)開通過程開通時同樣會出現各高頻電力電子開關承受電壓不均問題。鉗位電路同樣會限制 開通過程中的高頻電力電子開關電壓不超過額定值。方案2:單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，η個串聯連接的高頻電 力電子開關κι、Κ2、…Kn與負載R串聯以後並接在電源Ud兩端，η彡2，電源的兩端並聯 電容C，負載R上反並二極體D，在每個高頻電力電子開關上並聯了由二極體Dl和電容Cl 串聯組成的鉗位電路，在相鄰鉗位電路的二極體Dl和電容Cl連接點之間接入二極體D2， 下一級二極體D2的陰極接到上一級二極體D2的陽極；在與第一個高頻電力電子開關並接 的鉗位電路的二極體Dl兩端並聯一隻輔助電子開關G，輔助電子開關G與高頻電力電子開 關互補導通，第一個高頻電力電子開關Kl的始端Is和末端Ie以及最後第η個開關Kn的 末端ne均有線引出接到外部電路上，外部電路由電容C3、具有3個出線端Tl、T2、T3的自 耦式高頻變壓器和電容C4串聯組成，電容C3的始端接到第一個高頻電力電子開關Kl的始 端Is ；電容C3的末端接到自耦式高頻變壓器的第一個出線端Tl ；自耦式高頻變壓器的第 二個出線端T2接到第一個高頻電力電子開關Kl的末端Ie ；自耦式高頻變壓器的第三個出 線端T3接到電容C4的始端；電容C4的末端接到第η個開關Kn的末端ne，自耦式高頻變 壓器第一至第二出線端之間的匝數W12與第二至第三出線端之間的匝數W23之比為W12 W23 =1 (n-1)；利用自耦式高頻變壓器對第一隻高頻電力電子開關kl的電壓進行鉗位，利 用二極體D2使各個高頻電力電子開關對應的電容Cl的電壓均不超過第一個高頻電力電子 開關對應的電容Cl的電壓，而第一個高頻電力電子開關對應的電容Cl的電壓=U/n，U為 電源電壓，同時η個高頻電力電子開關的穩態電壓之和必定等於電源電壓U,從而實現穩態 均壓。其餘各只高頻電力電子開關的鉗位電壓都與第一隻高頻電力電子開關kl的鉗位電 壓相同，實現穩態均壓和動態電壓鉗位，並在穩態時通過自耦式高頻變壓器將動態時吸納 的過壓電荷釋放到電源。同時在每個高頻電力電子開關上並聯電阻Rm，實現靜態均壓。工作原理(一 )關斷過程當高頻電力電子開關Kl上有過電壓產生時，利用與高頻電力電子開關Kl相對應 的二極體Dl和電容Cl串聯組成的鉗位電路對高頻電力電子開關Kl進行鉗位。與第一隻 高頻電力電子開關對應的二極體Dl開通時，與其對應的鉗位電容Cl被充電，被充電的鉗位 電容Cl限制了高頻電力電子開關Kl兩端電壓的上升，使得高頻電力電子開關Kl兩端電壓 始終鉗位在額定工作電壓，實現穩態均壓和動態電壓鉗位。充進與第一隻高頻電力電子開關對應的電容Cl的能量必須要釋放出來。第一個 高頻電力電子開關兩端的電容Cl上的能量通過輔助電子開關G向對應的自耦變壓器釋放， 實現能量反饋。
當其他n-1隻高頻電力電子開關上有過電壓產生時，高頻電力電子開關K2. . . Kn 上電壓高於與其對應的電容Cl上的電壓時，高頻電力電子開關K2. . . Kn各自對應的二極體 Dl導通，各自對應的電容Cl開始被充電，被充電的電容Cl上能量的釋放通過二極體D2在 高頻電力電子開關開通期間將除第一隻以外的n-1隻電容Cl中的電荷全部匯集到並接在 第一個電子開關兩端的電容Cl中，再由第一個電子開關兩端的電容Cl進行釋放，此時能量 釋放的原理與Kl關斷時能量釋放原理相同，此處不再過多描述。( 二)開通過程開通時同樣會出現各高頻電力電子開關承受電壓不均問題。鉗位電路同樣會限制 開通過程中的高頻電力電子開關電壓不超過額定值。方案2中的自耦式高頻變壓器也可用雙繞組變壓器來代替。為了減少連接線分布電感的影響，方案2的進一步特徵，可將串 聯連接的η個高頻 電力電子開關K1、K2、...Kn和並接在每個高頻電力電子開關兩端的鉗位電路封裝在一個 模塊中。如果直接連接在模塊內部的鉗位電容容量不夠大，可如圖3所示，在每個高頻電力 電子開關兩端分別再並聯由二極體D1』和鉗位電容C2』的串聯電路，將該η個串聯電路與 η個高頻電力電子開關Kl、Κ2、…Kn裝在一個模塊中，將與第一個高頻電力電子開關Kl對 應的二極體D1』的陰極和與第一個高頻電力電子開關Kl對應的二極體Dl的陰極相連，在 相鄰的二極體D1』與鉗位電容C2』的連接點之間接入二極體D2』，下一級二極體D2』的陰極 接到上一級二極體D2，的陽極。為了進一步減少連接線分布電感的影響，還可採用在與第一個高頻電力電子開關 Kl對應的二極體D1』的陰極和與第一個高頻電力電子開關Kl對應的二極體Dl的陰極相連 的連接線上串聯電阻r。圖3所示電路，當η個高頻電力電子開關導通和關斷時，其穩態均壓、動態均壓與 能量反饋原理與圖2相同。
權利要求
單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，其特徵是n個串聯連接的高頻電力電子開關(K1、K2、…Kn)與負載R串聯以後並接在電源(Ud)兩端，電源的兩端並聯電容C，負載R上反並二極體D，在每個高頻電力電子開關上並聯由電容C1-1和高頻變壓器線圈Lm-1串聯組成的均壓電路，n個高頻變壓器線圈Lm-1匝數相等而且繞在同一高頻鐵芯上，n≥2，實現穩態均壓；在每個高頻電力電子開關兩端並接由二極體D1-1和鉗位電容C2-1串聯組成的鉗位電路，在與第一個高頻電力電子開關(K1)並接的鉗位電路的二極體D1-1兩端並聯一隻輔助電子開關G-1，在相鄰鉗位電路的二極體D1-1與鉗位電容C2-1的連接點之間接入二極體D2-1，下一級二極體D2-1的陰極接到上一級二極體D2-1的陽極；通過二極體D2-1在高頻電力電子開關開通期間將動態時充入除第一隻以外的n-1隻鉗位電容C2-1中的電荷全部匯集到並接在第一個電子開關兩端的鉗位電容C2-1中，利用鉗位電容在動態時吸納過壓電荷，實現動態電壓鉗位，並在穩態時通過高頻變壓器線圈Lm-1將動態時吸納的過壓電荷釋放到電源。同時在每個高頻電力電子開關上並聯電阻Rm-1，實現靜態均壓。
2.單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，其特徵是n個串聯連接的 高頻電力電子開關(K1、K2、…Kn)與負載R串聯以後並接在電源(Ud)兩端，n ≥2，電源 的兩端並聯電容C，負載R上反並二極體D，在每個高頻電力電子開關上並聯了由二極體D1 和電容C1串聯組成的鉗位電路，在相鄰鉗位電路的二極體D1和電容C1連接點之間接入二 極管D2，下一級二極體D2的陰極接到上一級二極體D2的陽極；在與第一個高頻電力電子 開關並接的鉗位電路的二極體D1兩端並聯一隻輔助電子開關G，輔助電子開關G與高頻電 力電子開關互補導通，第一個高頻電力電子開關(K1)的始端(Is)和末端(le)以及最後第 n個開關(Kn)的末端(ne)均有線引出接到外部電路上，外部電路由電容C3、具有3個出 線端(T1、T2、T3)的自耦式高頻變壓器和電容C4串聯組成，電容C3的始端接到第一個高 頻電力電子開關(K1)的始端(Is)；電容C3的末端接到自耦式高頻變壓器的第一個出線端 (T1)；自耦式高頻變壓器的第二個出線端(T2)接到第一個高頻電力電子開關(K1)的末端 (le)；自耦式高頻變壓器的第三個出線端(T3)接到電容C4的始端；電容C4的末端接到第 n個開關(Kn)的末端(ne)，自耦式高頻變壓器第一至第二出線端之間的匝數w12與第二至 第三出線端之間的匝數w23之比為w12 w23 = 1 (n-1)；利用自耦式高頻變壓器對第一隻 高頻電力電子開關(kl)的電壓進行鉗位，利用二極體D2使各個高頻電力電子開關對應的 電容C1的電壓均不超過第一個高頻電力電子開關對應的電容C1的電壓，其餘各只高頻電 力電子開關的鉗位電壓都與第一隻高頻電力電子開關(kl)的鉗位電壓相同，實現穩態均 壓和動態電壓鉗位，並在穩態時通過自耦式高頻變壓器將動態時吸納的過壓電荷釋放到電 源。同時在每個高頻電力電子開關上並聯電阻Rm，實現靜態均壓。
3.根據權利要求2所述的單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，其 特徵是串聯連接的n個高頻電力電子開關(Kl、K2、"'Kn)和並接在每個高頻電力電子開關 兩端的鉗位電路封裝在一個模塊中。
4.根據權利要求2所述的單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，其 特徵是在每個高頻電力電子開關兩端分別再並聯由二極體D1』和鉗位電容C2』的串聯電 路，將該n個串聯電路與n個高頻電力電子開關(Kl、K2、"'Kn)裝在一個模塊中，將與第一 個高頻電力電子開關(K1)對應的二極體D1』的陰極和與第一個高頻電力電子開關(K1)對應的二極體D1的陰極相連，在相鄰的二極體D1』與鉗位電容C2』的連接點之間接入二極體 D2，，下一級二極體D2，的陰極接到上一級二極體D2，的陽極。
5.根據權利要求4所述的多個高頻電力電子器件串聯時實現均壓的方法，其特徵是在 與第一個高頻電力電子開關(K1)對應的二極體D1』的陰極和與第一個高頻電力電子開關 (K1)對應的二極體D1的陰極相連的連接線上串聯電阻r。
6.根據權利要求2所述的單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，其 特徵是所述的自耦式高頻變壓器用雙繞組變壓器代替。
全文摘要
本發明公開的單電容鉗位和變壓器反饋能量實現多管串聯均壓的方法，採用在每個高頻電力電子開關上並聯由二極體和電容串聯組成的鉗位電路，在相鄰鉗位電路的二極體、電容連接點之間依次用二極體連接，利用鉗位電容在動態時吸納過壓電荷，實現動態電壓鉗位，利用高頻變壓器線圈與電容串聯或者利用二極體與電容串聯實現穩態均壓，在穩態時通過高頻變壓器和輔助電子開關將動態時吸納的過壓電荷釋放到電源，實現能量反饋，同時在每個高頻電力電子開關上並聯電阻，實現靜態均壓。本發明可以實現多個高頻電力電子器件串聯時穩態均壓、動態均壓和能量反饋。有利於降低成本和推動高電壓、高頻率、高功率電力電子技術在工業中的發展和應用。
文檔編號H02M1/088GK101834517SQ20101016369
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月5日 優先權日2010年5月5日
發明者汪槱生 申請人:汪槱生