用于变频驱动器中的串联连接的电容器的电压平衡电路的制作方法

1.本发明涉及一种用于串联连接的电容器组或电压单元的电压平衡电路。该电路包括具有串联连接的至少两个电容器或电压单元的dc链路和并联连接的至少两个发射极跟随器平衡电路。在每个发射极跟随器平衡电路的发射极与dc链路的中点之间设置至少一个发射极电阻器。施加到每个发射极跟随器平衡电路的栅极发射极电压可以等于其公共栅极电压减去对应的发射极电阻器上的电压降。本发明还涉及一种功率变流器或用于驱动电动马达的变频驱动器，所述功率变流器或变频驱动器包括对应的电压平衡电路。


背景技术：

2.电压平衡电路主动地调节串联连接的电容器或电压单元(诸如，蓄电池组电池)之间的电压平衡。已知的电压平衡电路的问题是由该电路所补偿的最大不平衡电流实际上受到该电路的给定架构的限制。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种改进的电压平衡电路和一种改进的变频驱动器或功率变流器，所述改进的电压平衡电路和改进的变频驱动器或功率变流器提供使装置适应于各种量的不平衡电流的简单方法。
4.该目的通过根据权利要求1的电压平衡电路和根据权利要求10的变频驱动器或功率变流器来实现。优选实施例是从属权利要求的主题。
5.根据权利要求1，提供了一种用于串联连接的电容器组或电压单元的电压平衡电路。该电压平衡电路包括具有串联连接的至少两个电容器或电压单元的dc链路和并联连接的至少两个发射极跟随器平衡电路。根据本发明，在每个发射极跟随器平衡电路的发射极与dc链路的中点之间设置至少一个发射极电阻器。施加到每个发射极跟随器平衡电路的栅极发射极电压可以等于其公共栅极电压减去对应的发射极电阻器上的电压降。
6.在可以通过并联地设置一个或多个电路来补偿较高的不平衡电流的方面，该电路是可扩展的。与现有技术相比，该电路提供了更低的成本、更好的性能和在实践上无限的可扩展性。本发明提供了一种解决方案，该解决方案用于并联的无限的或至少大量的发射极跟随器平衡电路，并且尽管在所使用的晶体管和电阻器部件中的参数不同，该解决方案也确保在并联的电路之间，并且特别是在并联的元件(诸如，igbt或mosfet)之间的良好共享。同时，该解决方案在串联连接的电容器或电压单元之间提供非常准确的平衡功能。较低的部件数量和当前描述的设计的简单性有助于其增强的可靠性。当前描述的电路可以被用于需要电容器或电压电池(如电池)的串联连接的所有应用中。与已知的解决方案相比，该解决方案以更低的成本提供良好的平衡。
7.根据本发明的优选实施例，设置三个、四个或更多个并联的发射极跟随器平衡电路。因此，通过向电路添加一些相对便宜的部件来扩展该电路是容易的。可以选择发射极跟随器平衡电路的增加的数量，以便能够补偿期望的更高的不平衡电流。
8.根据本发明的另一优选实施例，至少一个公共电阻器将所述发射极电阻器连接到dc链路负极侧。
9.根据本发明的另一优选实施例，所述并联的发射极跟随器平衡电路包括igbt和/或mosfet。发射极跟随器不限于igbt或mosfet，而是可以是任何类型的晶体管，例如双极、fet、darlington(达林顿复合晶体管)。本发明可以排除单结晶体管。
10.根据本发明的另一优选实施例，所述电容器组或电压单元包括蓄电池组电池、和/或燃料电池、和/或电容器。因此，术语“电容器组”可以在广义上理解，并且可以包括除了电容器以外的部件。
11.根据本发明的特别优选实施例，所述蓄电池组电池、和/或所述燃料电池、和/或所述电容器被布置成彼此并联和/或串联。相应地，可以提供相当数量的所述部件以实现上述概括的布置。
12.根据本发明的优选实施例，至少三个电容器或电压单元彼此串联连接，和/或至少两个电容器或电压单元与至少两个其他电容器或电压单元并联连接。可以选择电容器或电压单元的数量和布置，以适合于发生在dc链路处的高电压。因此，更多数量的相对便宜和小型的部件可以被用于高电压的应用，否则高电压的应用将需要更昂贵和更大的部件。
13.根据本发明的另一优选实施例，所述电压平衡电路集成在用于驱动电动马达的变频驱动器中或集成在用于给负载供电的功率变流器中。
14.本发明还涉及一种用于驱动电动马达的变频驱动器或用于给负载供电的功率变流器，所述变频驱动器或功率变流器包括电压平衡电路。
附图说明
15.将参考附图来描述本发明的其它细节和优点。附图示出：
16.图1a：根据现有技术的利用并联的电阻器来平衡串联的电容器电压；
17.图1b：根据现有技术的基于发射极跟随器拓扑的有源平衡电路；
18.图1c：根据现有技术的有源平衡电路的并联；
19.图2：用于串联电容器电压有源平衡的电流共享自平衡电路；
20.图3：当前描述的电路的仿真结果；
21.图4：具有串联耦接的dc链路电容器的串联的发射极跟随器平衡电路；和
22.图5：具有并联耦接的dc链路电容器的并联的发射极跟随器平衡电路。
具体实施方式
23.已知的变频驱动器(variable frequency drive，vfd)基于电压控制逆变器(voltage-contro1led inverter，vci)拓扑。该拓扑需要稳定的dc链路电压来供应逆变器。因此，通常提供dc链路电容器组作为整流器与逆变器级之间的能量存储和去耦装置。
24.为了实现对于dc组所需要的电压和所需的电容值，可以并联和/或串联连接地连接多个电容器c1、c2，如图1a所示。当使用较低额定电压(rated voltage)的电容器c1、c2时，使用电容器c1、c2的串联连接来实现期望的dc链路电压，这是因为不存在较高电压的电容器c1、c2，或者是因为可以用较低额定电压的电容器c1、c2改进成本和/或性能。无论出于何种原因，电容器c1、c2的串联连接不仅在vfd中是非常常见的做法，而且在诸如蓄电池组
电池、燃料电池或功率变流器之类的许多其他应用中也是非常常见的做法。
25.众所周知，将两个或更多个电容器c1、c2串联连接可以导致各个电容器c1、c2之间的不均匀的电压共享，即使该电容器c1、c2是几乎相同的零部件以及由同一制造商提供。由于材料和电容器结构的制造公差或老化，各个电容器c1、c2之间在电容、泄漏电流等方面的差异始终存在。这些差异导致串联连接的电容器c1、c2之间的不均匀的电压共享。结果，在一个电容器c1、c2两端施加的电压甚至可能超过该电容器的额定电压，并且因此导致电容器c1、c2的过早失效。
26.为了确保串联连接的电容器c1、c2之间的平衡共享，通常将高功率的电阻器r1、r2与每个电容器c1、c2并联连接。可以基于各个电容器c1、c2的泄漏电流和电容器c1、c2的泄漏电流的最大公差，来计算这些电阻器r1、r2的值。并联的电阻器r1、r2是该问题的简单解决方案，但是并联的电阻器r1、r2在功率消耗方面相对较大。并联的电阻器r1、r2在应用的总体图景下的成本效益不是很好。在图1a中示出该已知解决方案的典型电路图，其中串联的电容器c1、c2的电压与并联的电阻器r1、r2平衡。
27.在图1b中示出了用于确保串联连接的电容器c1、c2之间的电压平衡的替代方法。这里示出了一种有源(active)平衡电路，所述有源平衡电路基于发射极跟随器拓扑。该设计不同于先前描述的并联的电阻器r1、r2的无源(passive)解决方案。该设计表示有源电路，这是因为该设计基于有源部件(即，晶体管)，该有源部件以与电容器c1、c2之间的泄漏电流差成比例的方式调整该有源部件的电流和/或电阻。
28.当恰当地设计时，有源平衡解决方案可以提供更低的功率消耗、更好的平衡以及更具总体成本效益的解决方案。已知使用这些有源平衡电路中的多个有源平衡电路以用于平衡串联连接的电容器c1、c2的电压以及如串联连接的蓄电池组电池、燃料电池等其他应用的电压。
29.已知有源平衡电路基于众所周知的发射极跟随器电路(emitter follower circuit)。这些电路可以使用高电压、低电流的igbt或绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor)作为主要的有源平衡元件。此外，这些电路使用多个电阻器r1、rd1、rg1、rg2，这些电阻器比无源平衡并联电阻器电路小得多且成本更低。
30.在图1b的电路中，附图标记fet1是指晶体管，诸如igbt或mosfet。晶体管fet1在有源区中操作，并因此该晶体管fet1中的功率消耗可以增加到器件封装不能支持的水平。
31.在需要通过有源平衡电路来补偿相对大的电容器电流泄漏不平衡的情况下，可能需要两个或更多有源平衡电路。在图1c的电路图中示出了这样的并联的有源平衡电路。
32.这里，需要平衡两个并联的晶体管fet1、fet2之间的电流共享。众所周知，诸如igbt和mosfet器件之类的晶体管典型地被设计用于高电压且低电流的范围。所述晶体管主要被设计用于切换操作。器件电流由其栅极电压控制。当栅极电压低于阈值电压时，通过该器件的电流非常小，并且采用高于阈值的非常小的栅极电压来将该器件置于低电阻状态。在阈值栅极电压水平处，在器件中发生从断开到接通的几乎立即的改变。然而，对于有源平衡电路，期望诸如igbt或mosfet之类的晶体管的平滑可控的“电阻器”行为，而不是在完全断开状态与完全接通状态之间的切换行为。
33.当在有源操作区中使用晶体管时，在毫伏区中的这些晶体管的阈值栅极电压的非常小的差异可能存在于另外两个几乎相同的晶体管之间。这些差异可能会引起一个晶体管
更快地接通并且承载几乎所有的电流，而导致另一个并联的晶体管几乎不承载电流。具有较低阈值电压晶体管的支路将比具有较高阈值栅极电压晶体管的支路承载更大的电流并消耗更高的功率。
34.这使得并联的两个或更多个电路的使用效率低。本发明提供一种电路，该电路克服在并联的有源平衡电路之间的电流共享问题并且改进并联电路之间的电流共享平衡。
35.图2示出了根据本发明的用于串联电容器电压有源平衡的电流共享自平衡电路。
36.该电路包括具有串联连接的至少两个电容器或电压单元c1、c2的dc链路。dc链路的中点vdcm位于两个电容器c1、c2之间。尽管将主要参考电容器，但是也可替代性地使用电压单元。该电路还包括至少两个发射极跟随器平衡电路fet1、fet2，该两个发射极跟随器平衡电路fet1、fet2与设置在每个发射极跟随器平衡电路fet1、fet2的发射极与dc链路的中点vdcm之间的至少一个发射极电阻器rs1、rs2并联连接。在所述发射极电阻器rs1、rs2上的电压和电流分别被表示为vfbk1、vfbk2和is1、is2。为了均匀地平衡c1、c2上的电压，rg1的值被设定为rg2的值或设定为接近rg2的值，含义是rg1＝rg2。rg1和rg2的值可以略微不同。特别地，rg1可以小于rg2以适应于mosfet或igbt的栅极电压。可以通过以下表达式来描述精确关系：
37.rg1＝(vdc/(vgeth+vdc/2)-1)＊rg2
38.其中，vdc是dc链路电压，并且vgeth是mosfet的标称栅极发射极阈值电压。
39.施加到每个发射极跟随器平衡电路fet1、fet2的栅极发射极电压可以等于其公共栅极电压减去对应的发射极电阻器rs1、rs2上的电压降。
40.选择该电路的基本构架，使得可以容易地提供并联连接的三个、四个或更多个发射极跟随器平衡电路fet1、fet2。但是在图中未示出所述发射极跟随器平衡电路fet1、fet2。如果使用并联连接的两个以上的发射极跟随器平衡电路fet1、fet2，则所述发射极跟随器平衡电路fet1、fet2可以全部被集成在电压平衡电路的其余部分中，如当前参考前两个发射极跟随器平衡电路fet1、fet2所描述的。例如，多个发射极跟随器平衡电路fet1、fet2中的每一个发射极跟随器平衡电路可以经由对应的发射极电阻器rs1、rs2连接到dc链路的中点vdcm。
41.在图2的实施例中，两个发射极电阻器rs1、rs2不仅连接到dc链路的中点vdcm，而且还经由至少一个公共电阻器r1连接到dc链路负极侧vdc-。同样地，如果在电压平衡电路中使用两个以上的发射极电阻器rs1、rs2，则所述发射极电阻器rs1、rs2全部可以经由至少一个公共电阻器r1连接到dc链路负极侧vdc-。
42.并联的发射极跟随器平衡电路fet1、fet2可以包括igbt和/或mosfet，并且特别地包括相同的igbt和/或mosfet。电容器组或电压单元c1、c2可以包括诸如蓄电池组电池和/或燃料电池和/或电容器之类的部件，这些部件可以设置在相同的对中，并且相对彼此串联连接和/或并联连接。显然，部件的串联连接和/或并联连接可以用大量的命名部件来实现，这些命名部件可以同时布置在串联连接的部件的几乎相同的对中。
43.当前描述的电压平衡电路可以被集成在变频驱动器中。本发明还涉及用于驱动电动马达的对应的变频驱动器。该驱动器包括当前描述的电压平衡电路。
44.根据图2，本发明通过在每个发射极跟随器平衡电路fet1、fet2的发射极与dc链路的中点vdcm之间放置小的电阻器rs1、rs2来实现。为了简单起见，发射极跟随器平衡电路
fet1、fet2目前可以被称为晶体管fet1、fet2。
45.这些电阻器rs1、rs2承载每个晶体管fet1、fet2的发射极电流，并且施加到每个晶体管fet1、fet2的栅极发射极电压等于公共栅极电压减去电阻器rs1、rs2上的电压降。如果晶体管fet1具有比第二晶体管fet2更低的阈值电压，则施加到两个晶体管fet1、fet2的公共栅极发射极电压(即，当在图2中没有安装发射极电阻器rs1、rs2时)将有利于第一晶体管fet1比第二晶体管fet2更快地接通。相应地，第一晶体管fet1将承载电流中的大部分电流。
46.当如图2所示地安装发射极电阻器rs1、rs2时，流动通过第一晶体管fet1的较大电流也增加与其发射极串联设置的电阻器rs1上的电压降。因此，施加到第一晶体管fet1的栅极发射极电压在一侧降低。实际上，电阻增加，并且电流降低。
47.在另一侧，施加到第二晶体管fet2的栅极发射极电压大于施加到第一晶体管fet1的栅极发射极电压，这是因为通过第二晶体管fet2的电流并因此该第二晶体管的发射极电阻器rs2中的电压降是小的。这样，具有较小阈值电压的第一晶体管fet1也具有比第二晶体管fet2更小的施加到其栅极发射极的电压。
48.图2的电路平衡并联晶体管fet1、fet2之间的电流。设置在每个并联晶体管fet1、fet2的发射极处的电阻器rs1、rs2用作用于平衡其电流共享的负闭环反馈。反馈电阻器的较大值将确保更好的平衡，但是增加这些电阻器值也将增加这些电阻器上的功率损失。更重要的是，在串联连接的电容器c1、c2之间平衡电压的误差增大。这是因为晶体管fet1、fet2的发射极不直接连接到dc链路的中点vdcm，而是通过电阻器rs1和rs2连接到dc链路的中点vdcm。
49.图3提供了图2中的电路的仿真结果，其中与每个电容器c1、c2同时地，串联连接的电容器c1、c2具有不同的泄漏电流。作为晶体管，已经选择具有略微不同的阈值电压(3.98v和4.02v)的两个mosfet以用于模拟。在模拟中，电阻器rs1和rs2从0 ohm至400ohm同时地变化。
50.在图3中，底部的图表示出了两个串联连接的电容器c1、c2之间的中间点。虽然两个电容器c1、c2支路具有彼此相差多于3倍的泄漏电流，但是有源平衡电路仍工作以将该电压常数保持在dc链路电压的一半处。
51.从底部起的第二图表示出了在并联支路中的每个支路中流动的电流。顶部的线是指通过rd2的电流，并且底部的线是指通过rd1的电流。当rs1＝rs2＝0或一些非常小的值时，电流彼此不同。当电阻rs1和rs2增加时，电流开始朝向相同的值汇合，有效地彼此良好地共享总电流。
52.图3的中间的图表示出了施加在每个晶体管fet1、fet2上的vge电压。当rs2和rs1具有一些非零值时，确认具有较低阈值电压的晶体管fet1、fet2也具有被施加的较低的vge。
53.图3中的上部的两个图表示出了晶体管fet1、fet2以及电阻器rd1和rd2中的功率消耗。显然，随着电阻器rs2和rs1的电阻值增加，功率消耗开始朝向彼此汇合，从而改善有源电路的两个并联支路之间的平衡。
54.图4示出了具有串联耦接的dc链路电容器c1、c2、c3的串联的发射极跟随器平衡电路fet1、fet2。dc链路电容器c1、c2、c3的串联耦接可以包括三个或更多个电容器，以承受例如750vdc的高dc链路电压，并且其中单个电容器的电容器最大额定电压不能满足要求，或
者在尺寸、价格、性能和/或可用性方面的使用完全不可行。
55.图5示出了具有并联耦接的dc链路电容器c1、c2、c3、c4的并联的发射极跟随器平衡电路fet1、fet2。dc链路电容器的并联耦接可以包括与c1、c2并联耦接的两个或更多个dc链路电容器，以便获得比c1、c2可以靠自身提供的更高的电容。价格、尺寸、性能和/或可用性可以是并联地耦接更多个dc链路电容器的原因。

技术特征：
1.一种电压平衡电路，所述电压平衡电路用于串联连接的电容器组或电压单元，所述电压平衡电路包括具有串联连接的至少两个电容器或电压单元(c1、c2)的dc链路和并联连接的至少两个发射极跟随器平衡电路(fet1、fet2)，其特征在于，在每个发射极跟随器平衡电路(fet1、fet2)的发射极与所述dc链路的中点(vdcm)之间设置至少一个发射极电阻器(rs1、rs2)。2.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，设置三个、四个或更多个并联的发射极跟随器平衡电路(fet1、fet2)。3.根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路，其特征在于，至少一个公共电阻器(r1)将所述发射极电阻器(rs1、rs2)连接到dc链路负极侧(vdc-)。4.根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路，其特征在于，所述并联的发射极跟随器平衡电路(fet1、fet2)包括igbt和/或mosfet。5.根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路，其特征在于，所述电容器组或电压单元(c1、c2)包括蓄电池组电池、和/或燃料电池、和/或电容器。6.根据权利要求5所述的电压平衡电路，其特征在于，所述蓄电池组电池、和/或所述燃料电池、和/或所述电容器被布置成彼此并联和/或串联。7.根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路，其特征在于，至少三个电容器或电压单元(c1、c2)彼此串联连接，和/或至少两个电容器或电压单元(c1、c2)与至少两个其他电容器或电压单元(c3、c4)并联连接。8.根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路，其特征在于，所述电压平衡电路集成在用于驱动电动马达的变频驱动器中。9.根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路，其特征在于，所述电压平衡电路集成在用于给负载供电的功率变流器中。10.一种用于驱动电动马达的变频驱动器或用于给负载供电的功率变流器，包括根据前述权利要求中任一项所述的电压平衡电路。

技术总结
本发明涉及一种用于串联连接的电容器组或电压单元的电压平衡电路。该电路包括具有串联连接的至少两个电容器或电压单元的DC链路和并联连接的至少两个发射极跟随器平衡电路。在每个发射极跟随器平衡电路的发射极与DC链路的中点之间设置至少一个发射极电阻器。施加到每个发射极跟随器平衡电路的栅极发射极电压可以等于其公共栅极电压减去对应的发射极电阻器上的电压降。本发明还涉及一种功率变流器或用于驱动电动马达的变频驱动器，所述变频驱动器或功率变流器包括对应的电压平衡电路。驱动器或功率变流器包括对应的电压平衡电路。驱动器或功率变流器包括对应的电压平衡电路。


技术研发人员：奥斯卡里
受保护的技术使用者：丹佛斯电力电子有限公司
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/8/16