一种对称三电平Boost电路及其控制方法与流程

一种对称三电平boost电路及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种对称三电平boost电路及其控制方法。


背景技术：

2.图1示出了一种多路输入的对称三电平boost电路，包括：多路对称三电平boost单元(以下简称为boost单元)，各路boost单元的输入端独立接入直流电源、输出端并联接入母线。在该多路输入的对称三电平boost电路正常运行过程中，可能出现下述3种短路故障：1)不同路boost单元的输入正负极短接在一起，造成全母线过压；2)同路boost单元的输入正负极与另外若干路boost单元的输入负极短接在一起，造成上半母线过压；3)同路boost单元的输入正负极与另外若干路boost单元的输入正极短接在一起，造成下半母线过压。
3.另外，对于多路输入的对称三电平boost电路中的某路boost单元或者单路输入的对称三电平boost电路来说，当其内部两个开关管因驱动电路问题或自身问题导致一个常断而另一个常通时，也会造成半母线或全母线过压。
4.而半母线或全母线过压，可能引起一连串的安全事故。例如，半母线或全母线过压易引起电解电容爆裂，电解电容爆裂后喷出的电解液在机箱内部任意漫流，可能引起更广泛的短路，甚至引起火灾。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种对称三电平boost电路及其控制方法，以实现半母线或全母线过压保护，避免引起一连串的安全事故。
6.一种对称三电平boost电路控制方法，所述对称三电平boost电路为单路或多路输入的对称三电平boost电路，所述方法包括：
7.分别判断上半母线电压和下半母线电压是否超过限值；
8.当上半母线电压超过限值时，对所述boost电路进行封波，并在所述boost电路的输出正极与母线正极之间串入第一保护电路；
9.当下半母线电压超过限值时，对所述boost电路进行封波，并在所述boost电路的输出负极与母线负极之间串入第二保护电路；两保护电路均包括分压模块。
10.可选的，两保护电路还均包括限流模块，所述限流模块与同一保护电路中的分压模块串联连接。
11.可选的，所述分别判断上半母线电压和下半母线电压是否超过限值前，还包括：
12.通过采样上半母线电压、下半母线电压和全母线电压中的任意两个，确定上半母线电压和下半母线电压大小。
13.一种对称三电平boost电路，包括：单路或多路输入的对称三电平boost电路本体、控制单元、第一保护电路、第二保护电路、第一开关电路和第二开关电路；两保护电路均包括分压模块；
14.所述控制单元，用于分别判断上半母线电压和下半母线电压是否超过限值；
15.当上半母线电压超过限值时，对所述boost电路本体进行封波，并通过控制所述第一开关电路动作，使得所述boost电路本体的输出正极与母线正极之间串入所述第一保护电路；
16.当下半母线电压超过限值时，对所述boost电路本体进行封波，并通过控制所述第二开关电路动作，使得所述boost电路本体的输出负极与母线负极之间串入所述第二保护电路。
17.可选的，所述分压模块为分压电容模块，或者所述分压模块由分压电容模块与分压电阻模块并联组成。
18.可选的，两保护电路还均包括限流模块，所述限流模块与同一保护电路中的分压模块串联连接。
19.可选的，所述限流模块为限流电阻。
20.可选的，所述第一开关电路为单刀双掷开关，其公共端连接到所述boost电路的输出正极，一个掷点通过所述第一保护电路连接到母线正极，另一掷点直接连接到母线正极；
21.所述第二开关电路为单刀双掷开关，其公共端连接到所述boost电路的输出负极，一个掷点通过所述第二保护电路连接到母线负极，另一掷点直接连接到母线负极。
22.或者，两单刀双掷开关均替换为两个互补导通的单刀单掷开关。
23.或者，所述第一保护电路与所述第一开关电路并联连接；所述第一开关电路为单刀单掷开关，其一端连接所述boost电路的输出正极，另一端连接到母线正极；
24.所述第二保护电路与所述第二开关电路并联连接；所述第二开关电路为单刀单掷开关，其一端连接所述boost电路的输出负极，另一端连接到母线负极。
25.可选的，所述第一开关电路和所述第二开关电路均为采用继电器、接触器或者开关管构成的开关电路。
26.一种逆变器，包括：逆变电路，以及接在所述逆变电路直流侧的至少一个如上述公开的任一种对称三电平boost电路。
27.从上述的技术方案可以看出，本发明在上半母线电压过压时，对对称三电平boost电路进行封波，并在对称三电平boost电路的输出正极与母线正极之间串入分压模块；在下半母线电压过压时，对对称三电平boost电路进行封波，并在对称三电平boost电路的输出负极与母线负极之间串入分压模块，从而实现半母线和全母线过压保护，避免引起一连串的安全事故。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
29.图1为现有技术公开的一种多路输入的对称三电平boost电路结构示意图；
30.图2为本发明实施例公开的一种对称三电平boost电路控制方法流程图；
31.图3为图1所示boost电路在pv2 与pv1
‑
短接在一起时的换流路径示意图；
32.图4为图1所示boost电路在pv2 、pv2
‑
以及pv1
‑
短接在一起时的换流路径示意图；
33.图5为图1所示boost电路在pv1 、pv1
‑
以及pv2 短接在一起时的换流路径示意图；
34.图6为本发明实施例公开的一种多路输入的对称三电平boost电路结构示意图；
35.图7为本发明实施例公开的一种单路输入的对称三电平boost电路结构示意图；
36.图8为图6所示boost电路中两保护电路和两开关电路的一种结构示意图；
37.图9为图8所示boost电路在pv2 与pv1
‑
短接在一起时的换流路径示意图；
38.图10为图6所示boost电路中两保护电路的又一种结构示意图；
39.图11为图6所示boost电路中两保护电路的又一种结构示意图；
40.图12为本发明实施例公开的又一种多路输入的对称三电平boost电路结构示意图；
41.图13为图12所示boost电路在pv2 与pv1
‑
短接在一起时的换流路径示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
43.参见图2，本发明实施例公开了一种对称三电平boost电路控制方法，所述对称三电平boost电路为单路或多路输入的对称三电平boost电路，所述方法包括：
44.步骤s01：分别判断上半母线电压和下半母线电压是否超过限值；当上半母线电压超过限值时，进入步骤s02；当下半母线电压超过限值时，进入步骤s03；当上半母线电压和下半母线电压均未超过限值时，返回步骤s01。
45.具体的，上半母线电压大小可以直接通过采样上半母线电压获得，也可以通过采样下半母线电压和全母线电压，然后将全母线电压采样值与下半母线电压采样值做差获得，并不局限。同理，下半母线电压大小可以直接通过采样下半母线电压获得，也可以通过采样上半母线电压和全母线电压，然后将全母线电压采样值与上半母线电压采样值做差获得，并不局限。总之，通过采样上半母线电压、下半母线电压和全母线电压中的任意两个，即可确定上半母线电压和下半母线电压大小。
46.上半母线电压对应的限值大小取决于上半母线电容的耐压值，下半母线电压对应的限值大小取决于下半母线电容的耐压值。母线电容通常为电解电容，电解电容长时间过压使用的话，容易发生电解电容爆裂，电解电容爆裂后喷出的电解液在机箱内部任意漫流，可能引起更广泛的短路，甚至引起火灾。为避免于此，本发明实施例在上半母线电容过压使用时执行下述步骤s02，在下半母线电容过压使用时执行下述步骤s03。
47.步骤s02：对所述boost电路进行封波，并在所述boost电路的输出正极与母线正极之间串入第一保护电路，至此本轮控制结束。
48.步骤s03：对所述boost电路进行封波，并在所述boost电路的输出负极与母线负极之间串入第二保护电路，至此本轮控制结束。其中，两保护电路均包括分压模块。
49.下面，针对图1所示boost电路，结合boost单元的拓扑结构以及boost电路发生短路故障时的换流路径，来对图2所示方法的工作原理进行详述。
50.仍参见图1，第i(i＝1、2、
…
、n，n为boost电路中包含的boost单元的总数目)路boost单元的组成元件包括电感l1_i、电感l2_i、上管q1_i、下管q2_i、二极管d3_i和二极管d4_i，各组成元件之间的连接关系如下：
51.上管q1_i的输入端接电感l1_i的一端以及二极管d3_i的阳极，电感l1_i的另一端为第i路boost单元的输入正极pvi ，二极管d3_i的阴极也即第i路boost单元的输出正极接上半母线电容c1的正极(也即母线正极bus )；
52.上管q1_i的输出端接下管q2_i的输入端、上半母线电容c1的负极(也即母线中点)以及下半母线电容c2的正极；
53.下管q2_i的输出端接电感l2_i的一端以及二极管d4_i的阴极，电感l2_i的另一端为第i路boost单元的输入负极pvi
‑
，二极管d4_i的阳极也即第i路boost单元的输出负极接下半母线电容c2的负极(也即母线负极bus
‑
)。
54.当图1所示boost电路发生“背景技术”部分记载的短路故障1)时，例如，第2路boost单元的输入正极pv2 与第1路boost单元的输入负极pv1
‑
短接在一起时，对应的换流路径如图3所示，为：pv1
→
l1_1
→
d3_1
→
bus
→
c1
→
c2
→
bus
‑→
d4_2
→
l2_2
→
pv2
‑
。短路瞬间，由于母线电容电压不能突变，直流电源1和直流电源2电压均被钳位而突降到半母线电压，随后直流电源1和直流电源2电压逐渐恢复，直流电源1和直流电源2串联后一起给全母线充电，全母线电压逐渐上升并最终达到直流电源1与直流电源2电压之和。
55.当图1所示boost电路发生“背景技术”部分记载的短路故障2)时，例如，第2路boost单元的输入正极pv2 、第2路boost单元的输入负极pv2
‑
以及第1路boost单元的输入负极pv1
‑
短接在一起时，对应的换流路径如图4所示，为：pv1
→
l1_1
→
d3_1
→
bus
→
c1
→
母线中点
→
q1_2的反并联二极管
→
l1_2
→
pv1
‑
。短路瞬间，由于母线电容电压不能突变，直流电源1电压会突降到上半母线电压，随后直流电源1电压逐渐恢复，且对上半母线充电，使得全母线和上半母线电压随之一起上升，最终上半母线电压会达到直流电源1电压。
56.当图1所示boost电路发生“背景技术”部分记载的短路故障3)时，例如，第1路boost单元的输入正极pv1 、第1路boost单元的输入负极pv1
‑
以及第2路boost单元的输入正极pv2 短接在一起时，对应的换流路径如图5所示，为：pv2
→
l2_1
→
q2_1的反并联二极管
→
母线中点
→
c2
→
bus
‑→
d4_2
→
l2_2
→
pv2
‑
。短路瞬间，由于母线电容电压不能突变，直流电源2电压会突降到下半母线电压，随后直流电源2电压逐渐恢复，且对下半母线充电，使得全母线和下半母线电压随之一起上升，最终下半母线电压会达到直流电源2电压。
57.单纯使图1所示boost电路封波并不能解决上述各种短路故障，对此，本发明实施例在上半母线电压过压时，在对所述boost电路进行封波的同时，还在所述boost电路的输出正极com 与母线正极bus 之间串入第一保护电路；在下半母线电压过压时，在对所述boost电路进行封波的同时，还在所述boost电路的输出负极com
‑
与母线负极bus
‑
之间串入第二保护电路；两保护电路均包括分压模块。从而，原本施加在上半母线电容上的电压由上半母线电容和第一保护电路串联分压，原本施加在下半母线电容上的电压由下半母线电容和第二保护电路串联分压，避免了上、下半母线电容过压。其中，第一保护电路的串入/切除通过第一开关电路k1实现，第二保护电路的串入/切除通过第二开关电路k2实现，如图6所示。当上/下半母线电容不过压时，切除相应保护电路即可(在根据参数大小判断是串入还是切除相应保护电路时，推荐采用滞环比较方式)。
58.同理，图2所示控制方法也能解决图1所示boost电路中的某路boost单元(或者单路输入的对称三电平boost电路)中两个开关管因驱动电路问题或自身问题导致一个常断而另一个常通时，所造成的半母线或全母线过压。当图1所示boost电路中的某路boost单元(或者单路输入的对称三电平boost电路)中两个开关管因驱动电路问题或自身问题导致一个常断而另一个常通时，单纯使boost电路封波并不能解决半母线或全母线过压的问题。单路输入的对称三电平boost电路中增加第一开关电路k1、第二开关电路k2、第一保护电路和第二保护电路后的电路结构如图7所示。
59.可选的，在上述公开的任一实施例中，所述分压模块为分压电容模块，或者所述分压模块由分压电容模块与分压电阻模块并联组成。
60.可选的，基于上述公开的任一实施例中，为防止第一保护电路串入瞬间产生冲击电流，第一保护电路还包括限流模块，例如限流电阻r1，所述限流模块与第一保护电路中分压模块串联连接，例如图8所示。同理，为防止第二保护电路串入瞬间产生冲击电流，第二保护电路还包括限流模块，例如限流电阻r2，所述限流模块与第二保护电路中分压模块串联连接。图8中的分压模块仅以由一分压电容构成的分压电容模块作为示例。
61.可选的，基于上述公开的任一实施例，仍参见图8，所述第一开关电路k1为单刀双掷开关，其公共端1连接到boost电路的输出正极com ，一个掷点3通过所述第一保护电路k1连接到母线正极bus ，另一掷点2直接连接到母线正极bus ；所述第二开关电路k2为单刀双掷开关，其公共端1连接到boost电路的输出负极com
‑
，一个掷点3通过所述第二保护电路k2连接到母线负极bus
‑
，另一掷点2直接连接到母线负极bus
‑
。在图8中，正常情况下，第一开关电路k1的1脚与2脚吸合，第二开关电路k2的1脚与2脚吸合；当上半母线过压时，第一开关电路k1的1脚与3脚吸合；当下半母线过压时，第二开关电路k2的1脚与3脚吸合。
62.例如，当图8所示电路遇到图3中pv2 与pv1
‑
短接在一起时，第一开关电路k1的1脚与3脚吸合，第二开关电路k2的1脚与3脚吸合，串入两保护电路，分别与上半母线电容c1和下半母线电容c2形成串联，避免c1和c2过压。对应的换流路径变更为如图9所示，为：pv1
→
l1_1
→
d3_1
→
第一保护电路
→
bus
→
c1
→
c2
→
bus
‑→
第二保护电路
→
d4_2
→
l2_2
→
pv2
‑
。再例如，当图8所示电路遇到图4中pv2 、pv2
‑
以及pv1
‑
短接在一起时，第一开关电路k1的1脚与3脚吸合，串入第一保护电路，与上半母线电容c1形成串联，避免c1过压。对应的换流路径变更为：pv1
→
l1_1
→
d3_1
→
第一保护电路
→
bus
→
c1
→
母线中点
→
q1_2的反并联二极管
→
l1_2
→
pv1
‑
。
63.再例如，当图8所示电路也遇到图5中pv1 、pv1
‑
以及pv2 短接在一起时，第二开关电路k2的1脚与3脚吸合，串入第二保护电路，与下半母线电容c2形成串联，避免c2过压。对应的换流路径变更为：pv2
→
l2_1
→
q2_1的反并联二极管
→
母线中点
→
c2
→
bus
‑→
第二保护电路
→
d4_2
→
l2_2
→
pv2
‑
。
64.此外，上述两单刀双掷开关也可以均用两个互补导通的单刀单掷开关代替，例如图10所示。
65.此外，两开关电路还可以采用其他结构形式，例如：所述第一保护电路与所述第一开关电路并联连接；所述第一开关电路k1为单刀单掷开关，其一端连接所述boost电路的输出正极，另一端连接到母线正极；所述第二保护电路与所述第二开关电路并联连接；所述第二开关电路k2为单刀单掷开关，其一端连接所述boost电路的输出负极，另一端连接到母线
负极，例如图11所示。正常情况下，两单刀单掷开关吸合，当上/下半母线过压时，对应的单刀单掷开关断开。
66.可选的，在上述公开的任一实施例中，所述第一开关电路和所述第二开关电路均为采用继电器、接触器或者开关管构成的开关电路，并不局限。
67.此外，基于公开的任一种实施例，多路输入的对称三电平中的第i路boost单元还可包括：旁路二极管d5_i和/或旁路二极管d6_i，例如图12所示，旁路二极管d5_i的阳极接第i路boost单元的输入正极pvi 、阴极接二极管d3_i的阴极，旁路二极管d6_i的阴极接第i路boost单元的输入负极pvi
‑
、阳极接二极管d4_i的阳极。此处的旁路二极管起旁路作用，换流路径略有调整但不影响两保护电路的正常工作，所以前述基于图1所示boost单元进行的改进和控制方法同时适用于图12。
68.例如，当图12所示boost电路中的两开关电路和两保护电路同图8，图12所示boost电路遇到图3中pv2 与pv1
‑
短接在一起时，则第一开关电路k1的1脚与3脚吸合，第二开关电路k2的1脚与3脚吸合，串入两保护电路，分别与上半母线电容c1和下半母线电容c2形成串联，避免c1和c2过压。对应的换流路径变更为如图13所示，为：pv1
→
d5_1
→
第一保护电路
→
bus
→
c1
→
c2
→
bus
‑→
第二保护电路
→
d6_2
→
pv2
‑
。
69.同理，单路输入的对称三电平boost电路中也同样还可包括：旁路二极管d5_1和/或旁路二极管d6_1。
70.与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种对称三电平boost电路，包括：单路或多路输入的对称三电平boost电路本体、控制单元、第一保护电路、第二保护电路、第一开关电路和第二开关电路；两保护电路均包括分压模块；
71.所述控制单元，用于分别判断上半母线电压和下半母线电压是否超过限值；
72.当上半母线电压超过限值时，对所述boost电路本体进行封波，并通过控制所述第一开关电路动作，使得所述boost电路本体的输出正极与母线正极之间串入所述第一保护电路；
73.当下半母线电压超过限值时，对所述boost电路本体进行封波，并通过控制所述第二开关电路动作，使得所述boost电路本体的输出负极与母线负极之间串入所述第二保护电路。
74.对于实施例公开的对称三电平boost电路而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可，此处不再赘述。
75.此外，本发明实施例还公开了一种逆变器，包括：逆变电路，以及接在所述逆变电路直流侧的至少一个如上述公开的任一种对称三电平boost电路。
76.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。