一种支持多电平技术的直流电压分压电路.pdf

本发明公开了一种支持多电平技术的直流电压分压电路，在多电平技术的直流电压均压电路中，为用于分担直流电压的两个或两个以上的电压单元中的，每个电压单元上连接一个直流/交流变换器及一个高频变压器，其中不同电压单元的高压变频器构造相同，原边连接极性相同，副边同极性并联。这样，当不同电压单元的负载电压不相同时，不同电压单元可以分别通过直流/交流变换器将能量传递到不同高频变压器上，不同高频变压器之间进行能量传递，从而使得不同电压单元的电压均压。因此，本发明可以当不同电压单元的负载电压偏差时，保证电压单元的均压，防止被耐压击穿。

1.  一种支持多电平技术的直流电压分压电路，其特征在于，包括：
在直流电压输入侧，多个电压单元串联后接入直流电压，所述直流电压的幅值为多个电压单元电压幅值之和，每个电压单元并联一个负载单元，为所述负载单元供直流的电压单元电压；
两个或两个以上的电压单元中的，每个电压单元上连接一个直流/交流变换器及一个高频变压器，其中不同电压单元的高压变频器构造相同，原边连接极性相同，副边同极性并联；不同电压单元的直流/交流变换器进行同步控制；
不同的电压单元分别通过自身的直流/交流变换器将能量传递到自身的高频变压器上，不同高频变压器之间进行能量传递。

2.  如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压单元为电容。

3.  如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述直流/交流变换器为全桥直流/交流变换器或半桥直流/交流变换器。

4.  如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压单元为两电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器；
或者所述电压单元为三电压单元，所述直流/交流变换器为三全桥直流/交流变换器；
或者所述电压单元为三或四电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器；
或者所述电压单元为两电压单元，所述直流/交流变换器为两半桥直流/交流变换器。

5.  如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述全桥直流/交流变换器由四个开关器件组成，两两串联后并接到电容上，在串联的两个开关器件之间，分别接入一高频变压器的原边两个端点，一个高频变压器的副边的两个端点分别与另一个高频变压器的副边的两个端点同极性相连。

6.  如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述半桥直流/交流变换器为：两个电容串联后并联到电容上，两个开关器件串联后并联到电容上，在串联的电容之间，接入一高频变压器的原边的一个端点，在串联的两个开关器件之间，接入一高频变压器的原边的另一个端点，一个高频变压器的副边的两个端点分别与另一个高频变压器的副边的两个端点同极性相连。

7.  如权利要求4所述的电路，其特征在于，当电压单元为三电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器时，未连接一个直流/交流变换器及一个高频变压器的电压单元上，连接两相整流桥后，将两相整流桥接入到高频变压器的同极性副边。

8.  如权利要求4所述的电路，其特征在于，当电压单元为四电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器时，将两个未连接一个直流/交流变换器及一个高频变压器的电压单元串联后，再连接两相整流桥，将两相整流桥接入到高频变压器的同极性副边；
所述高频变压器的原副边匝比为1：2。

一种支持多电平技术的直流电压分压电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术，特别涉及一种支持多电平技术的直流电压分压电路。
背景技术
中高压变频调速节能效果日益显著，且随着人们节能减排意识不断增强，中高压变频调速技术得到了高速发展。在中高压变频技术中，随着功率器件耐压水平不断提高，使得直流电压输入时采用多电平技术很有发展的潜力。在多电平技术中，直流电压输入单元一般采用多个电压单元组成，进行直流输入电压的分压后，分别提供给不同的负载使用。目前，多个电压单元可以为多个电容单元，分别为不同负载提供直流电压，如图1所示，图1为现有技术提供的两电压单元分压电路示意图，在直流电压输入侧，第一电容C1和第二电容C2串联后接入直流电压2E，即两个电容电压E，分担直流电压2E，将第一负载单元并联到第一电容C1上，由第一电容C1为第一负载单元供直流电压E，将第二负载单元并联到第二电容C2上，由第二电容C2为第二负载单元供直流电源E。由于第一电容C1和第二电容C2共同分担直流电压2E，在负载运行过程中，当两个负载的电压不相等时，其电流也不相等，如图所示，假设第一负载单元的第一电流I1大于第二负载单元的第二电流I2时，第一电容C1电压下降，第二电容C2的电压上升；假设第一负载单元的第一电流I1小于第二负载单元的第二电流I2时，第一电容C1电压上升，第二电容C2的电压下降，这会导致两个电容单元的电压不均。因此，在多电平技术的直流电压分压电路中的关键问题为器件耐压，由于负载电压不均，导致了提供负载电压的不同电压单元的 电压不均，很可能电压单元的耐压击穿，影响中高压变频调速设备的可靠运行。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种支持多电平技术的直流电压分压电路，该电路能够当不同电压单元的负载电压偏差时，保证电压单元的均压，防止被耐压击穿。
对不同电压之间进行均压，从而不会导致电压单元被击穿。
根据上述目的，本发明是这样实现的：
一种支持多电平技术的直流电压分压电路，包括：
在直流电压输入侧，多个电压单元串联后接入直流电压，所述直流电压的幅值为多个电压单元电压幅值之和，每个电压单元并联一个负载单元，为所述负载单元供直流的电压单元电压；
两个或两个以上的电压单元中的，每个电压单元上连接一个直流/交流变换器及一个高频变压器，其中不同电压单元的高压变频器构造相同，原边连接极性相同，副边同极性并联；不同电压单元的直流/交流变换器进行同步控制；
不同的电压单元分别通过自身的直流/交流变换器将能量传递到自身的高频变压器上，不同高频变压器之间进行能量传递。
所述电压单元为电容。
所述直流/交流变换器为全桥直流/交流变换器或半桥直流/交流变换器。
所述电压单元为两电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器；
或者所述电压单元为三电压单元，所述直流/交流变换器为三全桥直流/交流变换器；
或者所述电压单元为三或四电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥 直流/交流变换器；
或者所述电压单元为两电压单元，所述直流/交流变换器为两半桥直流/交流变换器。
所述全桥直流/交流变换器由四个开关器件组成，两两串联后并接到电容上，在串联的两个开关器件之间，分别接入一高频变压器的原边两个端点，一个高频变压器的副边的两个端点分别与另一个高频变压器的副边的两个端点同极性相连。
所述半桥直流/交流变换器为：两个电容串联后并联到电容上，两个开关器件串联后并联到电容上，在串联的电容之间，接入一高频变压器的原边的一个端点，在串联的两个开关器件之间，接入一高频变压器的原边的另一个端点，一个高频变压器的副边的两个端点分别与另一个高频变压器的副边的两个端点同极性相连。
当电压单元为三电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器时，未连接一个直流/交流变换器及一个高频变压器的电压单元上，连接两相整流桥后，将两相整流桥接入到高频变压器的同极性副边。
当电压单元为四电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器时，将两个未连接一个直流/交流变换器及一个高频变压器的电压单元串联后，再连接两相整流桥，将两相整流桥接入到高频变压器的同极性副边；
所述高频变压器的原副边匝比为1：2。
由上述方案可以看出，本发明实施例在多电平技术的直流电压均压电路中，为用于分担直流电压的两个或两个以上的电压单元中的，每个电压单元上连接一个直流/交流变换器及一个高频变压器，其中不同电压单元的高压变频器构造相同，原边连接极性相同，副边同极性并联。这样，当不同电压单元的负载电压不相同时，不同电压单元可以分别通过直流/交流变换器将能量传递到不同高频变压器上，不同高频变压器之间进行能量传递，从而使得不同电压单元的电压均压。因此，本发明可以当不同电压单 元的负载电压偏差时，保证电压单元的均压，防止被耐压击穿。
附图说明
图1为现有技术提供的两电压单元分压电路示意图；
图2为本发明实施例提供的支持多电平技术的直流电压分压电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的两电压单元两全桥直流/交流变换器的分压电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的采用图3所示的电路结构的电压输出波形示意图；
图5为本发明实施例提供的三电压单元三全桥直流/交流变换器的分压电路结构示意图；
图6为本发明实施例提供的三电压单元二全桥直流/交流变换器的分压电路结构示意图；
图7为本发明实施例提供的四电压单元二全桥直流/交流变换器的分压电路结构示意图；
图8为本发明实施例提供的两电压单元两半桥直流/交流变换器的分压电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
从背景技术可以看出，在多电平技术的直流电压均压电路中，有可能导致电压单元的耐压击穿的原因是由于不同电压单元的负载电压不均衡而使得不同电压单元的能量有偏差。因此，为了解决这个问题，本发明实施例在多电平技术的直流电压均压电路中，为用于分担直流电压的两个或两个以上的电压单元中的，每个电压单元上连接一个直流/交流变换器及一个 高频变压器，其中不同电压单元的高压变频器构造相同，原边连接极性相同，副边同极性并联。这样，当不同电压单元的负载电压不相同时，不同电压单元可以分别通过直流/交流变换器将能量传递到不同高频变压器上，不同高频变压器之间进行能量传递，从而使得不同电压单元的电压均压。因此，本发明可以当不同电压单元的负载电压偏差时，保证电压单元的均压，防止被耐压击穿。
图2为本发明实施例提供的支持多电平技术的直流电压分压电路结构示意图，包括：在直流电压输入侧，多个电压单元串联后接入直流电压，所述直流电压的幅值为多个电压单元电压幅值之和，每个电压单元并联一个负载单元，为所述负载单元供直流的电压单元电压；
两个或两个以上的电压单元中的，每个电压单元上连接一个直流/交流变换器及一个高频变压器，其中不同电压单元的高压变频器构造相同，原边连接极性相同，副边同极性并联；不同电压单元的直流/交流变换器进行同步控制；
不同的电压单元分别通过自身的直流/交流变换器将能量传递到自身的高频变压器上，不同高频变压器之间进行能量传递。
在本发明实施例中，电压单元可以为电容。
在本发明实施例中，所述直流/交流变换器为全桥直流/交流变换器或半桥直流/交流变换器。
在本发明实施例中，所述电压单元为两电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器；或者所述电压单元为三电压单元，所述直流/交流变换器为三全桥直流/交流变换器；或者当负载不存在能量回馈时，所述电压单元为三或四电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器；或者在小功率应用场合，所述电压单元为两电压单元，所述直流/交流变换器为两半桥直流/交流变换器。
当电压单元为两电压单元，所述直流/交流变换器为两全桥直流/交流变换器时，如图3所示，图3为本发明实施例提供的两电压单元两全桥直流/ 交流变换器的分压电路结构示意图，如图所示：
在直流电压输入侧，第一电容C1和第二电容C2串联后接入直流电压2E，即两个电容电压E，分担直流电压2E，将第一负载单元并联到第一电容C1上，由第一电容C1为第一负载单元供直流电压E，将第二负载单元并联到第二电容C2上，由第二电容C2为第二负载单元供直流电源E；
其中，两个全桥直流/交流变换器同步控制运行，一个全桥直流/交流变换器由四个开关器件组成，两两串联后并接到第一电容C1或第二电容C2上，在串联的两个开关器件之间，分别接入一高频变压器的原边两个端点，一个高频变压器的副边的两个端点分别与另一个高频变压器的副边的两个端点同极性相连。
具体地说，第一开关器件Q1和第二开关器件Q2串联后并入到第一电容C1上，第三开关器件Q3和第四开关器件Q4串联后并入到第一电容C1上，第一高频变压器T1的原边第一端点A1接入到第一开关器件Q1和第二开关器件Q2之间，第二端点B1接入到第三开关器件Q3和第四开关器件Q4之间；
第五开关器件Q5和第六开关器件Q6串联后并入到第二电容C2上，第七开关器件Q7和第八开关器件Q8串联后并入到第二电容C2上，第二高频变压器T2的原边第一端点A2接入到第五开关器件Q5和第六开关器件Q6之间，第二端点B2接入到第七开关器件Q7和第八开关器件Q8之间；第一一高频变压器T1的副边的两个端点分别与第二高频变压器T2的副边的两个端点同极性相连。
在图3中，控制上要求两个全桥直流/交流变换器同步运行，也就是第一开关器件Q1和第五开关器件Q5的驱动信号相同且同时开关，同理第二开关器件Q2和的六开关器件Q6的驱动信号相同且同时开关，第三开关器件Q3和第七开关器件Q7的驱动信号相同且同时开关，第四开关器件Q4和第八开关器件Q8的驱动信号相同且同时开关。这样，两个全桥直流/交流变换器输出电压波形相同，只是电压幅值不同。
采用图3的电路结构，输出波形如图4所示，其中，第一电容C1经全桥直流/交流变换器后的输出电压波形为A1B1，第二电容C2经全桥直流/交流变换器后的输出电压波形为A2B2，由于两个全桥直流/交流变换器同步运行，因此，两波形正负脉冲时间相同，只有脉冲幅值不相同，分别与各自电容电压相等，两输出电压经过各自的匝比相同的高频变压器隔离，副边同极性相连，这样，就可以实现高电压单元向低电压单元的能量传递。
假设第一电容C1电压大于第二电容C2电压，那么输出电压波形A1B1比输出电压波形A2B2的幅值高，则在第一开关器件Q1和第四开关器件Q4正电压导通，同时第五开关器件Q5和第八开关器件Q8导通期间，IO1电流为正，表示第一电容C1输出能量，IO2电流为负，表示第二电容C2输入能量，第一电容C1和第二电容C2的电压相等时，除了很小的变压器励磁电流，IO1电流和IO2电流几乎为零，第一电容C1和第二电容C2没有能量传递。
图5为本发明实施例提供的三电压单元三全桥直流/交流变换器的分压电路结构示意图，与图3相比，多个第三电容C3，直流电压输入侧的直流电压3E由第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3串联分担。
与图3相比，还增加了一个全桥直流/交流变换器及一高频变压器，具体地，第九开关器件Q9和第十开关器件Q10串联后并入到第三电容C3上，第十一开关器件Q11和第十二开关器件Q12串联后并入到第三电容C3上，第三高频变压器T3的原边第一端点A3接入到第九开关器件Q9和第十开关器件Q10之间，第二端点B3接入到第十一开关器件Q11和第十二开关器件Q12之间；第三高频变压器T3的副边的两个端点分别与第二高频变压器T2的副边的两个端点同极性相连。
其他的电路结构与图3的相同。
如果负载不存在能量回馈，则如图6所示，图6为本发明实施例提供的三电压单元二全桥直流/交流变换器的分压电路结构示意图。在该图中，由 于不存在负载能量回馈，所以与图5相比，将第二电容C2连接的全桥直流/交流变换器及高频变压器去除，在第二电容C2上连接两相整流桥后，将两相整流桥接入到两高频变压器T1与T2的同极性副边。具体地，两相整流桥为：第一二极管D1和第二二极管D2串联后并联到第二电容C2上，第三二极管D3和第四二极管D4串联后并联到第二电容C2上，第一二极管D1和第二二极管D2之间接入两高频变压器T1与T2的同极性副边第一端点，第三二极管D3和第四二极管D4之间接入两高频变压器T1与T2的同极性副边第二端点。
第二电容C2通过两相整流桥可以从第一电容C1和第三电容C3的副边同极性并联的高频变压器获得电能。该电路结构一方面实现第一电容C1和第三电容C3的两电压单元的均压，同时使得第二电容C2的电压等于第一电容C1和第三电容C3的电压最高值，因此实现了三电压单元的均压目的。
如果负载不存在能量回馈，还可以采用图7所示的结构，图7为本发明实施例提供的四电压单元二全桥直流/交流变换器的分压电路结构示意图。如图所示，直流电压输入侧的直流电压4E由第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4串联分担，其中，第一电容C1连接有全桥直流/交流变换器和高频变压器，第四电容C4连接有全桥直流/交流变换器和高频变压器。负载不存在能量回馈，且第二电容C2和第三电容C3之间没有电流输出，则第二电容C2和第三电容C3两电压单元之间不存在负载不平衡所产生的均压问题，则电路结构更加简化，也就是将第二电容C2和第三电容C3串联后，再连接两相整流桥提供电能。具体地，两相整流桥为：第十一二极管D11、第十二二极管D12、第二十一二极管D21和第二十二二极管D22串联后并联到所串联的第二电容C2和第三电容C3上，第三十一二极管D31、第三十二二极管D32、第四十一二极管D41和第四十二二极管D42串联后并联到所串联的第二电容C2和第三电容C3上，第十二二极管D12和第二十一二极管D21之间接入两高频变压器T1与T2的同极性副边 第一端点，第三十二极管D32和第四十一二极管D41之间接入两高频变压器T1与T2的同极性副边第二端点。
在该电路中，第十一二极管D11和第十二二极管D12串联提高工作电压，同理，第二十一二极管D21和第二十二二极管D22串联、第三十一二极管D31和第三十二二极管D32串联、以及第四十一二极管D41和第四十二二极管D42串联以提高工作电压。
在该电路中，由第一高频变压器T1和第二高频变压器T2的副边同极性并联，为两相整流桥供电；在控制上两个直流/交流变换器同步，为了保持第二电容C2和第三电容C3分别为电压E，则第一高频变压器T1和第二高频变压器T2原副边匝比为1：2。
在中高压变频传动领域，五电平技术有广泛地应用前景，五电平技术采用四电压单元结构，对于电容钳位五电平技术，中间点电容没有电流输出，对于广泛应用的风机水泵，不存在能量回馈，因此，就可以采用上述图7所示的电路结构进行直流分压供电。
图8为本发明实施例提供的两电压单元两半桥直流/交流变换器的分压电路结构示意图，在直流电压输入侧，第一电容C1和第二电容C2串联后接入直流电压2E，即两个电容电压E，分担直流电压2E，将第一负载单元并联到第一电容C1上，由第一电容C1为第一负载单元供直流电压E，将第二负载单元并联到第二电容C2上，由第二电容C2为第二负载单元供直流电源E；
其中，两个半桥直流/交流变换器同步运行，一个半桥直流/交流变换器为：两个电容串联后并联到第一电容C1或第二电容C2上，两个开关器件串联后并联到第一电容C1或第二电容C2上，在串联的电容之间，接入一高频变压器的原边的一个端点，在串联的两个开关器件之间，接入一高频变压器的原边的另一个端点，一个高频变压器的副边的两个端点分别与另一个高频变压器的副边的两个端点同极性相连。
具体地说，第三电容C3和第四电容C4串联后并入到第一电容C1上， 第一开关器件Q1和第二开关器件Q2串联后并入到第一电容C1上，第一高频变压器T1的原边第一端点A1接入到第第三电容C3和第四电容C4之间，第二端点B1接入到第一开关器件Q1和第二开关器件Q2之间；
第五电容C5和第六电容C6串联后并入到第二电容C2上，第三开关器件Q3和第四开关器件Q4串联后并入到第二电容C2上，第二高频变压器T2的原边第一端点A2接入到第五电容C5和第六电容C6之间，第二端点B2接入到第三开关器件Q3和第四开关器件Q4之间；第一一高频变压器T1的副边的两个端点分别与第二高频变压器T2的副边的两个端点同极性相连。
图8所述的结构适用于小功率应用场合。
在图8中，两个半桥直流/交流变换器同步工作，即第一开关器件Q1和第三开关器件Q3同为一个驱动信号控制同时开关，第二开关器件Q2和第四开关器件Q4同为一个驱动信号控制同时开关。该电路实现了第一电容C1和第二电容C2的均压，同时保证了第三电容C3和第四电容C4,第五电容C5和第六电容C6的直流电压均压。
以上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。