[發明專利]三電平變換器功率管的短路保護系統及安全關斷控制方法

有效

• 申請號: 201110308026.9
• 申請日: 2011-10-11
• 公開（公告）號: CN102427219A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 何禮高;陳鑫兵;杜恩利;蔡準;徐兵兵;徐華;胡磊;高菊玲;李剛
• 申請（專利權）人: 常州聯力自動化科技有限公司;南京航空航天大學
• 主分類號: H02H7/10
• 分類號: H02H7/10;H02H3/08
• 代理公司: 常州市維益專利事務所 32211
• 代理人: 何學成

技術領域

本發明屬于電力電子功率變換器中開關器件的短路保護技術領域，尤其涉及一種三電平變換器功率管的短路保護系統及安全關斷控制方法。

背景技術

三電平功率變換電路(包括三電平逆變器和三電平整流器，以及其他三電平開關變換器)的輸出電壓含有三個電平，每個開關管承受的電壓只是相應兩電平變換器開關管的一半，能有效減少諧波含量，提高輸出波形質量，降低電流脈動或轉矩脈動，三電平功率變換電路在新能源發電、軌道交通牽引、高壓大功率變頻器中有著廣泛的應用。

三電平功率變換電路中每一開關管必須遵循一定的順序安排開關動作。以二極管中點箝位型三電平三相逆變器為例(參見圖1，101為外管區域功率管，102為內管區域功率管)，共有三個橋臂，每個橋臂有4個開關管。直流母線通過兩組電容把電壓分為正、零和負三個等級，每相橋臂由四個開關管和兩個輔助鉗位二級管組成。

串接在正負直流母線上的兩電容C1、C2中點分壓形成一個O狀態，對應直流母線電壓的1/2。當開關管S_a1，S_a2導通時，橋臂輸出為正，稱為P狀態，對應A相輸出電壓為V_dc/2。當開關管S_a2，S_a3導通時，橋臂輸出為兩電容C1、C2中點，稱為O狀態，對應A相輸出電壓為0。當開關管S_a3，S_a4導通時，橋臂輸出為負，稱為N狀態，對應A相輸出電壓為-V_dc/2。因此每相可以輸出三種不同的狀態。

無論采用何種調制策略，橋臂進行三種狀態轉換時，無論是由P到N，還是由N到P都要經過O狀態的過渡。若不經過O狀態，每相的輸出得不到三個狀態電平，輸出電壓的dv/dt變大，開關管實際相當于直接串聯工作在兩電平的狀態，不但完全失去了三電平變換電路的性能與優點，而且這種簡單串聯工作的功率開關管極易因電壓失恒而損壞。因此無論采用什么調制策略和控制方式，橋臂輸出的電平狀態都要遵循P-O-N，或N-O-P的切換原則。在各種三電平功率變換器中，這種狀態切換原則是在控制系統的調制策略中預定好的，只要系統正常運行，各橋臂的狀態轉換就嚴格遵守這種原則。

一般當功率變換器電路出現過流或短路故障時，傳統上控制系統應采取立即同時封鎖所有驅動信號的方式來保護功率開關器件。但這時三電平變換電路各橋臂的狀態轉換無法遵守上述的切換原則，會因故障發生時刻各橋臂的狀態不同出現不符合三電平切換原則的狀態變化，同時各功率開關管的參數差異也會造成關斷不同步，形成附加的切換狀態。比如當系統故障發生時刻A相橋臂的輸出是P狀態，即四個開關管Sa1、Sa2、Sa3和Sa4的狀況是1100(1對應導通，0對應關斷)，如果此時A相橋臂的輸出電流為流向負載并且各管的關斷時間參數一致，則在系統發出封鎖信號后，橋臂的輸出因電流不能突變路徑改為從Da3和Da4流向負載，A相橋臂的輸出此時變成N狀態，由此橋臂出現不期望的由P向N狀態的直接切換；如果同一時刻各管的關斷時間參數不一致，假設Sa1的td(off)和tf大于Sa2的td(off)和tf，那么A相橋臂的四個開關管Sa1、Sa2、Sa3和Sa4從故障發生時的狀況1100，到系統發出封鎖信號后會有一個Sa1、Sa2關斷時間不同步引起的短暫1000狀況，造成Sa2管瞬時單獨承擔母線電壓(Da3和Da4因續流將Sa2的E極箝位到N，而因Sa1此時尚未關斷，所以Sa2的C極直接拉在P)擊穿損壞。前者情況的出現加大了功率開關管關斷時的dv/dt，有可能與主電路結構上的分布電感引起的電壓尖峰疊加一起超過某個管子耐壓值而損壞，后者情況的出現則開關管Sa2必壞無疑。當系統故障發生時刻A相橋臂的輸出是N狀態時的情況與上述一樣，只是四個開關管Sa1、Sa2、Sa3和Sa4的狀況開始是0011，橋臂同樣會出現不期望的由N向P狀態的直接切換。

因此當三電平變換器電路過流或短路故障發生時，控制系統采取同時封鎖所有驅動信號的方式不但不能有效保護出現過流或短路的功率開關器件，還會在封鎖所有驅動信號的過程中造成其它功率開關器件的損壞。

發明內容

針對現有技術中三電平變換器電路中功率管的過流、短路過程中保護技術的不足，本發明提供一種三電平變換器功率管的短路保護系統及安全關斷控制方法，該保護系統及安全關斷的控制方法能夠在三電平變換器出現過流或短路故障時，能夠及時有序的關閉各功率管，從而對功率管起到保護作用。

實現本發明的技術方案如下：