本實用新型涉及過壓保護裝置，具體涉及一種逆變器的過壓保護裝置。
背景技術(shù)：
逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，主要包括金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和與之并聯(lián)的續(xù)流二極管。MOSFET快速關(guān)斷時會產(chǎn)生很大的過壓，續(xù)流二極管反向恢復(fù)時兩端電壓急劇升高，MOSFET同樣會產(chǎn)生很大的過壓。MOSFET對電壓非常敏感，一旦過壓超過MOSFET的最大耐壓值，會使得MOSFET過熱甚至擊穿，還會增大開關(guān)損耗、危害電機相間絕緣、產(chǎn)生強烈的電磁干擾，影響設(shè)備的正常運行。
在逆變器增設(shè)吸收電路可解決上述技術(shù)問題，吸收電路包括C型、RC型、RCD充放電型以及RCD放電阻止型。C型吸收電路的缺點在于隨著功率級別的增大，吸收電路中的電容與直流母線寄生電感形成LC振蕩電路，當MOSFET導(dǎo)通時，電容通過MOSFET放電會導(dǎo)致漏極電流急劇增大；RC型吸收電路的缺點在于使用大容量MOSFET時會引起漏極電流升高，吸收效果變差；RCD充放電型吸收電路的缺點在于在功率增大時，回路寄生電感變大，不能有效控制瞬變電壓，雖有很好的過壓吸收能力，但仍會引起漏極電流升高，損耗增大；RCD放電阻止型吸收電路將過壓的能量回饋給電源，其優(yōu)點在于產(chǎn)生的功耗小、能有效抑制振蕩、回路寄生電感小、過壓抑制效果好、不會引起集電極電流上升，適合高頻大功率的逆變器，其缺點在于吸收電路中的電容只能將過壓能量回饋給電源，當MOSFET的漏極電流過大時，過壓吸收不完全。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型提供一種逆變器的過壓保護裝置，解決現(xiàn)有逆變器不能有效消除過壓導(dǎo)致設(shè)備穩(wěn)定性差的問題。
本實用新型通過以下技術(shù)方案解決上述問題：
一種逆變器的過壓保護裝置，包括至少一個過壓保護單元，各過壓保護單元并聯(lián)連接，且結(jié)構(gòu)相同；所述過壓保護單元包括兩個MOSFET、四個電阻、兩個電容以及四個二極管，分別為第一MOSFET、第二MOSFET、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第一電容、第二電容、第一二極管、第二二極管、第三二極管以及第四二極管；所述第一MOSFET、第一電阻、第二電阻、第一電容、第一二極管、第二二極管組成上橋臂電路；在上橋臂電路中，所述第一電阻并聯(lián)在第一MOSFET的漏極和源極之間，所述第一電容和第一二極管串聯(lián)之后并聯(lián)在第一MOSFET的漏極和源極之間，所述第一二極管的陽極經(jīng)第二電阻與第二二極管的陰極相連，所述第二二極管的陽極接地，所述第一二極管的陰極與第一MOSFET的源極相連，第一MOSFET的源極與第二MOSFET的漏極相連，第一MOSFET的漏極接外部直流電源；所述第二MOSFET、第三電阻、第四電阻、第二電容、第三二極管和第四二極管組成下橋臂電路；在下橋臂電路中，所述第三電阻并聯(lián)在第二MOSFET的漏極和源極之間，所述第三二極管和第二電容串聯(lián)之后并聯(lián)在第二MOSFET的漏極和源極之間，所述第二MOSFET的源極接地，所述第三二極管的陽極與第二MOSFET的漏極相連，所述第三二極管的陰極經(jīng)第四電阻與第四二極管的陽極相連，所述第四二極管的陰極與第一MOSFET的漏極相連。
進一步地，所述第一MOSFET為Q8、第二MOSFET為Q5、第一電阻為R1、第二電阻為R3、第三電阻為R2、第四電阻為R4、第一電容為C1、第二電容為C8、第一二極管為D2、第二二極管為D3、第三二極管為D4以及第四二極管為D1；所述Q8、R1、R3、C1、D2、D3組成上橋臂電路；在上橋臂電路中，所述R1并聯(lián)在Q8的漏極和源極之間，所述C1和D2串聯(lián)之后并聯(lián)在Q8的漏極和源極之間，所述D2的陽極經(jīng)R3與D3的陰極相連，所述D3的陽極接地，所述D2的陰極與Q8的源極相連，Q8的源極與Q5的漏極相連，Q8的漏極接外部直流電源；所述Q5、R2、R4、C8、D4和D1組成下橋臂電路；在下橋臂電路中，所述R2并聯(lián)在Q5的漏極和源極之間，所述D4和C8串聯(lián)之后并聯(lián)在Q5的漏極和源極之間，所述Q5的源極接地，所述D4的陽極與Q5的漏極相連，所述D4的陰極經(jīng)R4與D1的陽極相連，所述D1的陰極與Q8的漏極相連。
進一步地，所述第一電阻和第三電阻為壓敏電阻。
進一步地，所述各二極管為快恢復(fù)二極管或肖特基二極管。
進一步地，在所述外部直流電源的正負母線之間并聯(lián)接入蓄能電容器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下特點：
為每相電路設(shè)置過壓保護單元，各過壓保護單元并聯(lián)連接，且電路結(jié)構(gòu)相同，在每個過壓保護單元設(shè)置結(jié)構(gòu)對應(yīng)的上橋臂電路和下橋臂電路，上下橋臂電路均設(shè)置相應(yīng)的緩沖電容，用于吸收過壓；當過壓超出緩沖電容的吸收能力時，還可通過電阻放電，增大過壓的吸收能力；在外部直流電源的正負母線之間并聯(lián)蓄能電容器，各緩沖電容吸收的電能量釋放到蓄能電容器中，用于為逆變器提供輸入電壓，有效利用過壓的電能量為逆變器工作，并鉗制MOSFET器件的漏源電壓在正常范圍內(nèi)，既能有效利用過壓，又能有效消除過壓。
附圖說明
圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)原理框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合實施例對本實用新型作進一步說明，但本實用新型并不局限于這些實施例。
一種逆變器的過壓保護裝置，包括至少一個過壓保護單元，各過壓保護單元并聯(lián)連接，且結(jié)構(gòu)相同；過壓保護單元包括兩個MOSFET、四個電阻、兩個電容以及四個二極管，分別為第一MOSFET、第二MOSFET、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第一電容、第二電容、第一二極管、第二二極管、第三二極管以及第四二極管；第一MOSFET、第一電阻、第二電阻、第一電容、第一二極管、第二二極管組成上橋臂電路；在上橋臂電路中，第一電阻并聯(lián)在第一MOSFET的漏極和源極之間，第一電容和第一二極管串聯(lián)之后并聯(lián)在第一MOSFET的漏極和源極之間，第一二極管的陽極經(jīng)第二電阻與第二二極管的陰極相連，第二二極管的陽極接地，第一二極管的陰極與第一MOSFET的源極相連，第一MOSFET的源極與第二MOSFET的漏極相連，第一MOSFET的漏極接外部直流電源；第二MOSFET、第三電阻、第四電阻、第二電容、第三二極管和第四二極管組成下橋臂電路；在下橋臂電路中，第三電阻并聯(lián)在第二MOSFET的漏極和源極之間，第三二極管和第二電容串聯(lián)之后并聯(lián)在第二MOSFET的漏極和源極之間，第二MOSFET的源極接地，第三二極管的陽極與第二MOSFET的漏極相連，第三二極管的陰極經(jīng)第四電阻與第四二極管的陽極相連，第四二極管的陰極與第一MOSFET的漏極相連。
本實用新型應(yīng)用在電動叉車控制系統(tǒng)時，外部直流電源為+48V，逆變器包括A、B、C三相電路，為每相電路設(shè)置過壓保護單元，各過壓保護單元的電路結(jié)構(gòu)完全相同，用于消除各相電路上的MOSFET器件產(chǎn)生的過壓。
A相的過壓保護單元中，第一MOSFET為Q8、第二MOSFET為Q5、第一電阻為R1、第二電阻為R3、第三電阻為R2、第四電阻為R4、第一電容為C1、第二電容為C8、第一二極管為D2、第二二極管為D3、第三二極管為D4以及第四二極管為D1；Q8、R1、R3、C1、D2、D3組成上橋臂電路；在上橋臂電路中，R1并聯(lián)在Q8的漏極和源極之間，C1和D2串聯(lián)之后并聯(lián)在Q8的漏極和源極之間，D2的陽極經(jīng)R3與D3的陰極相連，D3的陽極接地GND，D2的陰極與Q8的源極相連，Q8的源極與Q5的漏極相連，Q8的漏極接外部直流電源；Q5、R2、R4、C8、D4和D1組成下橋臂電路；在下橋臂電路中，R2并聯(lián)在Q5的漏極和源極之間，D4和C8串聯(lián)之后并聯(lián)在Q5的漏極和源極之間，Q5的源極接地GND，D4的陽極與Q5的漏極相連，D4的陰極經(jīng)R4與D1的陽極相連，D1的陰極與Q8的漏極相連。
同理，在B相的過壓保護單元中，對應(yīng)的兩個MOSFET分別為Q3和Q4，對應(yīng)的四個電阻分別為R17、R9、R33和R15，對應(yīng)的兩個電容分別為C6和C17，對應(yīng)的四個二極管分別為D13、D11、D5和D8，各器件的電路連接與A相的過壓保護單元對應(yīng)相同。
同理，在C相的過壓保護單元中，對應(yīng)的兩個MOSFET分別為Q1和Q2，對應(yīng)的四個電阻分別為R18、R11、R34和R23，對應(yīng)的兩個電容分別為C7和C18，對應(yīng)的四個二極管分別為D7、D12、D6和D9，各器件的電路連接與A相的過壓保護單元對應(yīng)相同。
為充分吸收和利用MOSFET產(chǎn)生的過壓能量，提高相電路的可靠性和電磁兼容性，在設(shè)置各過壓保護單元的基礎(chǔ)上，還在所述外部直流電源的正負母線之間并聯(lián)接入蓄能電容器，用于吸收緩沖電容C1、C8釋放的電能，同時，蓄能電容器還起到濾波作用，在外部直流電源的正負母線之間提供低阻抗的放電回路。另外，過壓會注入外部直流電源，產(chǎn)生頻譜分量復(fù)雜、幅值很高的電源噪聲，既降低自身性能，又對周圍設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，蓄能電容器的設(shè)置，能吸收該電源噪聲，改善外部直流電源性能，消除對周圍設(shè)備的電磁干擾。
蓄能電容器為大小不等的幾組電容，并聯(lián)接入直流電源的正負母線上，均勻分布在三相橋臂的周圍，蓄能電容器在蓄能的同時起到濾波作用。蓄能電容器用于吸收緩沖電容C1放出的電能，具有平緩電壓和濾波的作用。在逆變器中，蓄能電容器是外部直流電源與電機之間的儲能元件，起到穩(wěn)定逆變器母線電壓的作用，直接影響設(shè)備的功率密度、安全性和可能性。蓄能電容器容值越大，外部直流電源輸出的電壓就越穩(wěn)定，但是蓄能電容器不宜選擇電容過大的電解電容，大電容在高頻時顯現(xiàn)出來電感特性失去濾波的作用。因此，蓄能電容器應(yīng)選用小于10微法的陶瓷電容，為了提高儲能電容對高頻雜波的吸收能力，在蓄能電容器的基礎(chǔ)上加裝100nF×3個陶瓷電容，電容必須均勻的分布在三相橋臂的MOSFET器件旁，使得在寬頻率范圍內(nèi)仍具有很好的濾波效果。
電阻R1為壓敏電阻，同理，電阻R2也為壓敏電阻。金屬氧化物壓敏電阻是一種良好的電壓尖峰抑制器件，具有響應(yīng)快、能夠抑制高過壓、窄寬度過壓的特點。金屬氧化物壓敏電阻具有通容電流大，漏電流小的優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用到大功率逆變器中，同時壓敏電阻也等效為與電機并聯(lián)接入逆變器中，也能起到保護電機相間絕緣的作用，當電機反電勢過高時，壓敏電阻可以保護逆變器不被擊穿。
6路SVPWM信號分別輸入至Q8、Q5、Q3、Q4、Q1和Q2的柵極，各MOSFET器件在SVPWM驅(qū)動信號的控制下進行導(dǎo)通和關(guān)斷，以產(chǎn)生三相對稱可調(diào)的交流電驅(qū)動電機。
A相過壓保護單元中Q8關(guān)斷時，其漏極和源極之間產(chǎn)生過壓，過壓通過二極管D2向緩沖電容C1充電，逆變器中的寄生電感的磁場能量轉(zhuǎn)換為電場能量存儲在緩沖電容C1中，當緩沖電容C1充電結(jié)束后，二極管D2阻止緩沖電容C1通過Q8放電，緩沖電容C1通過二極管D3和電阻R3向蓄能電容器充電，過壓的能量再次轉(zhuǎn)換為可以利用的電能存儲在蓄能電容器中。當產(chǎn)生的過壓超出緩沖電容C1的吸收能力時，壓敏電阻R1的阻值急劇減小，快速泄放能量，鉗制漏源電壓在正常范圍內(nèi)。同理，A相過壓保護單元Q5關(guān)斷時，產(chǎn)生的過壓通過二極管D4向電容C8充電，逆變器的寄生電感的電磁能量轉(zhuǎn)化為電場能存入電容C8中，抑制了Q5漏源過電壓的產(chǎn)生。C8儲存的電場能量通過電阻R4和二極管D1向蓄能電容器泄能，防止Q5的漏極電流升高。當Q5的關(guān)斷電流過大，產(chǎn)生的過壓超出電容C8的吸收能力時，壓敏電阻R2的阻值急劇減小，快速泄放掉寄生電感產(chǎn)生的能量，把Q5漏源間電壓穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。通過上述介紹可知，該過壓保護單元中的電容不會與寄生電感形成LC振蕩電路，不會增大電路中的寄生電感，不會出現(xiàn)Q8漏極電流急劇增大的情況，也不會增大開關(guān)損耗，且吸收方式并非單一，不會出現(xiàn)過壓吸收不完全的現(xiàn)象，吸收過壓的效果好。
各電容為高頻低感的薄膜電容或者陶瓷電容，電容越大，吸收能力越好，但也會延長充放電時間。各電阻為無感電阻，可將多個電阻并聯(lián)使用，以減小電感。緩沖電容C1的電容值通過求出，其中，UDS為最大漏源極間電壓，Ud為電源母線電壓，LS為電路中寄生電感和雜散電感之和，Id為最大漏極電流。
當Q8關(guān)斷電流過大時，漏極和源極之間產(chǎn)生很大的過壓，一旦過壓超出緩沖電容C1的吸收能力，可通過電阻R1泄能，將漏源電壓保持在90-110V；如果相電路中電流小，產(chǎn)生的過壓小，過壓則以電場能的形式存儲在緩沖電容中，減少了電路損耗。為不影響過壓保護單元下一周期的吸收過壓，在Q8的下次關(guān)斷動作到來之前，緩沖電容C1中的能量必須充分轉(zhuǎn)移至蓄能電容器中。通常認為過了3倍RC，電容存儲電荷基本上全部放出，則可通過求出電阻R3的阻值，其中，CS為緩沖電容C1的電容值，T為SVPWM信號的周期，d為占空比。
蓄能電容器為陶瓷電容時，通過求出蓄能電容器的容值，其中，I為電流有效值，U為紋波電壓，f為Q8的開關(guān)頻率。
各二極管為正向?qū)▔航敌?、反向耐壓有足夠余量、反向恢?fù)時間短的快恢復(fù)二極管或肖特基二極管。一旦二極管的反向恢復(fù)時間延長，過壓保護單元的功耗就會變大，在二極管反向恢復(fù)時MOSFET的漏源極間電壓就會發(fā)生大幅度的振蕩，因此要選擇瞬態(tài)正向壓降低，反向恢復(fù)平順且時間短的二極管。二極管D3可以防止電路發(fā)生振蕩，電阻R3則用于限流。
由于過壓保護單元中的上下橋臂電路結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，各過壓保護單元電路結(jié)構(gòu)相同，因此，通過上述求解方式，可對應(yīng)地計算出各緩沖電容以及各電阻值的取值。