无损异步吸收电路和NPC三电平电路制造技术

技术编号:20049274 阅读:48 留言:0更新日期:2019-01-09 05:36
本发明专利技术提供一种无损异步吸收电路和NPC三电平电路,该无损异步吸收电路,包括与开关器件串联的吸收电容、第二二极管、总线电容和第三二极管,所述开关器件和第三二极管的阴极公共交点与第二二极管的阳极和吸收电容的公共交点之间正向连接有第一二极管,所述开关器件的接通或者断开由脉冲驱动信号控制。在开关器件断开时,由第一二极管、吸收电容构成充电回路;在开关器件接通时,由吸收电容、第二二极管、总线电容、第三二极管和开关器件构成单向放电回路。本发明专利技术能够抑制开关器件产生的尖峰电压以及无损吸收尖峰电压能量。

【技术实现步骤摘要】
无损异步吸收电路和NPC三电平电路
本专利技术涉及开关电源
,特别涉及一种无损异步吸收电路和NPC三电平电路。
技术介绍
在开关电源
中,开关电源的主要元器件为开关器件,由于开关器件在电源回路中需要通过导线与其它元器件电路连接,而导线、甚至开关器件的引脚存在寄生电感,则在开关器件的连接回路中导线的长度和宽度均影响寄生电感的大小,同时导线在印刷电路板中布局走线方式影响了寄生电感的大小。图1是开关器件输出回路的简易原理图。请参考图1,开关器件Q1通过导线与电容C1构成电流回路,由于导线及开关器件Q1的引脚、甚至电容C1的引脚存在寄生电感。图2为开关器件输出回路寄生电感的等效电路原理图,在开关器件Q1的串联回路中包括寄生电感Ls1和Ls2,并接在开关器件Q1两端的为开关器件Q1的寄生电容Coss,则在开关器件Q1截止时,根据寄生电感Ls1和Ls2两端的电流不能突变的特性,则寄生电感的电流i对开关器件Q1的寄生电容Coss进行充电,充电后就会在开关器件Q1的输出端引起尖峰电压,当较高的尖峰电压超过开关器件Q1的额定电压时,会导致开关器件Q1被击穿而损坏。其中,开关器件Q1的接通或者断开由脉冲驱动信号控制。为了抑制开关器件在截止时产生的尖峰电压,因此需要在开关器件输出端并接一个吸收电路。图3是开关器件的输出端并联吸收电路的原理图,图4是开关器件输出回路寄生电感等效电路在开关器件接通时的电流回路示意图,图5是开关器件输出回路寄生电感等效电路在开关器件断开时的电流回路示意图。请参考图4,开关器件Q1的工作原理如下:当开关器件Q1导通时,电流i经过寄生电感Ls1、开关器件Q1和寄生电感Ls2构成导通回路。请参考图5,当开关器件Q1截止时,开关器件Q1断开通路,由于寄生电感Ls1和寄生电感Ls2两端的电流不能突变,则电流经寄生电感Ls1吸收电路和寄生电感Ls2构成导通回路,而不经过开关器件Q1,从而通过吸收电路抑制由于寄生电感而导致的尖峰电压。现有技术中常见的吸收电路为RC吸收电路和RCD吸收电路。这些吸收电路的基本工作原理就是在开关器件断开时为该开关器件提供旁路换流,以吸收储存在寄生电感中的能量,并使开关器件输出端的电压被钳位,从而抑制尖峰电压。此种方案虽然有一定的效果,可以降低开关电源尖峰电压的幅值,但是降低的尖峰电压的能量需要被电路中的电阻发热转换成大量的热量,降低了开关电源的转换效率,即由于电阻的存在而构成了有损吸收电路,同时为了不增大吸收电路的损耗,吸收电容的容值大小的选型会被受到限制,导致抑制尖峰电压的能力也受到限制。由此,在一些开关电源拓扑结构中,根据器件大小和布局的优势,可以考虑去掉电阻,而使用电容做为无损吸收回路,例如升压(Boost)开关电源电路。图6为Boost开关电源的电路原理图。请参考图6,Boost开关电源包括输入端Vi和输出端Vo,并接在输入端Vi的滤波电容C1和开关器件Q1,输入端Vi的正端与开关器件Q1的输出端正极之间连接有功率电感L1,输出端Vo的正端与开关器件Q1的输出端正极之间正向连接有续流二极管D1,开关器件Q1的输出端之间并接有吸收电容Cs,吸收电容的正端与续流二极管D1的阴极连接,输出端Vo之间并接有总线电容Cbus。在开关器件Q1截止时,二极管D1和吸收电容Cs构成吸收电路。Boost开关电源的工作原理如下:图7是Boost开关电源在开关器件接通时的电流回路示意图。请参考图7,当开关器件Q1导通时,功率电感L1的电流经过开关器件Q1的输出端正极和负极回到滤波电容C1的负端,以为功率电感L1储存能量。此时,吸收电路不接通回路。图8是Boost开关电源在开关器件断开时的充电电流回路示意图。请参考图8和图9,当开关器件Q1截止时,开关器件Q1的断开通路,续流二极管D1和吸收电容Cs构成充电回路,其中实线箭头方向为充电回路的电流方向,功率电感L1的电流i经续流二极管D1、吸收电容Cs回到输入端Vi的负端形成导通回路。此时开关器件Q1截止时等效的寄生电感和/或功率电感L1产生的尖峰电压能量被吸收电容Cs充电吸收,从而抑制开关器件Q1两端产生的尖峰电压。同时续流二极管D1和总线电容Cbus构成功率回路,请参考图8,功率电感L1通过二极管D1换流后对总线电容Cbus进行充电。由此可知,续流二极管D1在吸收回路和功率回路中共用,因此需要具备较好的反向恢复特性以及较低的结电压等特性,用以保证电路的性能和可靠性,特别地,此种电路用法需要保证开关器件Q1和二极管D1在结构布局上需要靠的比较近,且器件封装带来的寄生电感要必须小,否则无法用此电路来实现无损吸收。图9是Boost开关电源吸收电容在放电时的电流回路示意图。请参考图9,因吸收电容Cs和总线电容Cbus的连接方式构成充放电回路,当吸收电容由于充电获得的尖峰电压能量使其两端的电压VCs大于总线电容Cbus两端的电压VCbus时,即VCs>VCbus时,吸收电容Cs放电对总线电容Cbus进行充电,如图中虚线箭头方向。上述的无损吸收电路,吸收电容的充电和放电均在开关器件断开时同时进行,因此称为无损同步吸收电路。但是需说明的是,并非所有开关器件都可以使用无损同步吸收电路来吸收,正如由无损同步吸收电路定义可知,它必须要应用在当开关器件断开时吸收电容可以放电的电路中。因此如果出现在当开关器件断开时,吸收电容无法放电,这时就不能使用无损同步吸收电路来抑制开关器件的电压尖峰了,就需要考虑更换其它电路或者措施来解决才可以了。请参考图10,传统的NPC三电平电路包括第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2、第一总线电容CbusP、第二总线电容CbusN、主功率电感L1和第一电容C1。开关器件Q1至Q4常见的为绝缘栅双极型晶体管(IGBT),其控制端(即栅极)由外部脉冲驱动信号控制,开关器件的接通状态用1表示,断开状态用0表示。所述第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4的输出端串接后与第一总线电容CbusP和第二总线电容CbusN串联,所述第一钳位二极管D1反向连接在第一开关器件Q1和第二开关器件Q2的公共交点与第一总线电容CbusP和第二总线电容CbusN的公共交点,所述第二钳位二极管D2正向连接在第三开关器件Q3和第四开关器件Q4的公共交点与第一总线电容CbusP和第二总线电容CbusN的公共交点;第二开关器件Q2和第三开关器件Q3的公共交点通过主功率电感L1和第一电容C1连接在第一总线电容CbusP和第二总线电容CbusN的公共交点。该NPC三电平电路,在每个开关器件的两端均存在尖峰电压,因此如何抑制的尖峰电压是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是,克服以上不足,提供了一种无损异步吸收电路和NPC三电平电路,以抑制开关器件产生的尖峰电压以及无损吸收尖峰电压能量。为了解决上述技术问题,本专利技术提供一种无损异步吸收电路,包括与开关器件串联的吸收电容、第二二极管、总线电容和第三二极管,所述开关器件和第三二极管的阴极公共交点与第二二极管的阳极和吸收电容的公共交点之间正向连接有第一二极管,所述开本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种无损异步吸收电路,其特征在于,包括与开关器件串联的吸收电容、第二二极管、总线电容和第三二极管,所述开关器件和第三二极管的阴极公共交点与第二二极管的阳极和吸收电容的公共交点之间正向连接有第一二极管,所述开关器件的接通或者断开由脉冲驱动信号控制;在开关器件断开时,所述第一二极管、吸收电容构成充电回路,用于使吸收电容通过第一二极管吸收开关器件在断开时产生的尖峰电压能量;在开关器件接通时,所述吸收电容、第二二极管、总线电容、第三二极管和开关器件构成单向放电回路,用于使吸收电容通过第二二极管、第三二极管和开关器件对总线电容进行单向放电,以使吸收电容的电压能量反馈到总线电容上,实现电压能量的无损吸收。

【技术特征摘要】
1.一种无损异步吸收电路,其特征在于,包括与开关器件串联的吸收电容、第二二极管、总线电容和第三二极管,所述开关器件和第三二极管的阴极公共交点与第二二极管的阳极和吸收电容的公共交点之间正向连接有第一二极管,所述开关器件的接通或者断开由脉冲驱动信号控制;在开关器件断开时,所述第一二极管、吸收电容构成充电回路,用于使吸收电容通过第一二极管吸收开关器件在断开时产生的尖峰电压能量;在开关器件接通时,所述吸收电容、第二二极管、总线电容、第三二极管和开关器件构成单向放电回路,用于使吸收电容通过第二二极管、第三二极管和开关器件对总线电容进行单向放电,以使吸收电容的电压能量反馈到总线电容上,实现电压能量的无损吸收。2.如权利要求1所述的无损异步吸收电路,其特征在于,所述充电回路和/或单向放电回路串联有电阻、电感和/或开关器件。3.如权利要求1或2所述的无损异步吸收电路,其特征在于,所述开关器件为结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、V型槽场效应晶体管、二极管、变压器、晶闸管和光电耦合器。4.如权利要求1所述的无损异步吸收电路,其特征在于,所述充电回路和所述单向放电回路中的至少一个二极管采用结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或V型槽场效应晶体管替代,当替代充电回路中的至少一个二极管时,所述结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或V型槽场效应晶体管的导通方向与充电回路的电流方向相同;当替代单向放电回路中的至少一个二极管时,所述结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或V型槽场效应晶体管的导通方向与单向放电回路的电流方向相同。5.如权利要求4所述的无损异步吸收电路,其特征在于,绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管集成有二极管。6.如权利要求5所述的无损异步吸收电路,其特征在于,所述充电回路和所述单向放电回路中的至少一个二极管采用集成有二极管的绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管...

【专利技术属性】
技术研发人员:袁媛李跃松张迪李佳航
申请(专利权)人:宁波市北仑临宇电子科技有限公司
类型:发明
国别省市:浙江,33

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