CN100492834C - 具有短路电流保护的变换器电路 - Google Patents
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Abstract
提出一种具有直流电压电路(1)、具有短路电流保护的变换器电路，直流电压电路(1)由直流电压电路子系统(2.1)构成，直流电压电路子系统(2.1)具有第一能量存储器(3)、与第一能量存储器(3)串联的第二能量存储器(4)以及熔断器(5)。此外，变换器电路具有为各相(R，S，T)提供的且与直流电压电路(1)并联的至少一对支路(6)，每对支路(6)具有功率半导体开关。为了实现低电感变换器电路，熔断器(5)形成第一能量存储器(3)和第二能量存储器(4)之间的连接。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子设备领域。它基于一种具有短路电流保护的变换器电路，该变换器电路具有直流电压电路，所述直流电压电路由直流电压电路子系统构成，所述直流电压电路子系统具有第一能量存储器、与第一能量存储器串联的第二能量存储器以及熔断器，而且具有为每相设置的并且与直流电压电路并联的至少一对支路，每对支路具有功率半导体开关。
背景技术
当今，变换器电路用于大量电力电子应用中，例如在铁道应用的传动技术中或者在固态变换器件中。这种变换器电路通常受到针对短路电流出现的保护，从而防止变换器电路受到损坏或破坏。例如，在“直流线路逆变器应用中由熔断器增加的电感的确定”(Determinationof added inductance by fuses in DC-link inverter applications，Drive &Control 2001年3月13-15日，London)中提到这种具有短路电流保护的变换器电路。在此情况下，变换器电路具有由直流电压电路子系统构成的直流电压电路，所述直流电压电路子系统具有第一能量存储器。直流电压电路子系统还具有与第一能量存储器串联的第二能量存储器以及熔断器。两个能量存储器均为电容器的形式，每个电容器经由串联的熔断器连接到直流电压电路的汇流排系统。变换器电路还具有至少一对提供给各相且经由汇流排系统与直流电压电路并联的支路，每对支路具有功率半导体开关。这时，如果在一对支路的一个或多个可驱动的功率半导体开关中出现短路电流，则两个电容器极迅速地放电，短路电流主要流经相应支路对的短路功率半导体开关。在每种情况下，通过使直流电压电路子系统绝缘、从而使直流电压电路本身绝缘，相应电容器上的一个熔断器尽快地用来防止这种短路电流经过短路电流主要影响的支路对以及其它支路对。
根据“直流线路逆变器应用中由熔断器增加的电感的确定”(Drive&Control 2001年3月13-15日，London)的具有短路电流保护的变换器电路存在的问题是以下事实：与电容器串联的两个熔断器以及这两个电容器的连接使直流电压电路、从而使具有短路电流保护的变换器电路呈极高的感性，因为两个熔断器的寄生电感以及两个电容器的连接的寄生电感相加。这个总寄生电感与两个电容一起形成振荡路径，它只是略微有阻尼的，并随相应功率半导体开关进行的每次开关过程再次振荡，尤其是在开关断开时。在这种振荡的情况下，存储在总寄生电感中的电能产生这些振荡的与开关断开电流的幅度大致相同的电流幅度。通过流入直流电压电路的两个电容器的无电抗电阻元件和汇流排系统的电流，只会产生这些振荡的衰减、以及因而存储在总寄生电感中的电量的消耗。这在这些元件上导致与功耗有关的较高的电和热负荷。此外，直流电压电路子系统的设计在组装方面因这两个熔断器而较为复杂，并且需要花费相当大成本的大量元件。另外，为直流电压电路子系统提供的两个熔断器占用大量空间。因此，根据需要，例如对于电气铁路中的牵引应用，具有短路电流保护的变换器电路的更紧凑设计是不可能的或者仅在极为有限的范围上是可能的。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种具有低电感的带短路电流保护的变换器电路，它能够以简易方式且采用极少元件来制作，并且空间要求低。这个目的通过熔断器构成第一能量存储器和第二能量存储器之间连接的特征来实现。本文中还描述了本发明的有利进展。
根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路具有：直流电压电路，所述直流电压电路由直流电压电路子系统构成，所述直流电压电路子系统具有第一能量存储器、与所述第一能量存储器串联的第二能量存储器以及熔断器；以及为所述变换器电路的每相(R，S，T)设置的并且与所述直流电压电路并联的至少一条支路，每条支路具有功率半导体开关，其特征在于，所述熔断器将所述第一能量存储器与所述第二能量存储器进行连接，以及一个可驱动短路元件与所述直流电压电路子系统并联，从而当通过一个检测装置在一条支路中检测到短路电流时，驱动所述可驱动短路元件，并且通过相应开关，所述可驱动短路元件使所述直流电压电路短路。
有利的是，这使得能够实现直流电压电路，从而实现具有低电感的带短路电流保护的变换器电路，因为与根据先有技术的具有短路电流保护的变换器电路相比，可省却一个熔断器，从而可减小变换器电路的总寄生电感。此外，有利地减小的总寄生电感导致总寄生电感和直流电压电路的能量存储器之间的任何电振荡，该电振荡由正被开关、特别是断开的变换器电路的一对支路的功率半导体开关所导致，并且只有极小幅度、特别是电流幅度。从而能够有利地减小变换器电路的元件上的电和热负荷。
此外，根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的装配和设计因为仅对直流电压电路子系统使用一个熔断器而变得极为简单，并且它需要极少元件，意味着可节省大量成本。另外，根据本发明的变换器电路仅要求最少量的空间，从而能够有利地具有紧凑设计。根据本发明的变换器电路有利地适合于具有单相电源的应用以及具有大能量存储容量的应用。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细描述，能够获得本发明的这些以及其它目的、优点和特征。
附图说明
在附图中：
图1表示根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第一实施例，
图2表示图1所示的根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第一实施例的详细情况，
图3表示根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第二实施例，
图4表示图3所示根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第二实施例的详细情况，以及
图5表示根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第三实施例。
在参考标号列表中概括地列出附图中所用的参考标号及其含义。原则上，对附图中相同的部分提供相同的参考标号。所述实施例通过示例表示发明主题，但没有限制作用。
具体实施方式
图1表示根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第一实施例。此外，图2表示图1所示根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第一实施例的详细情况。如图1所示，根据本发明的变换器电路具有由直流电压电路子系统2.1构成的直流电压电路1，直流电压电路子系统2.1具有第一能量存储器3、与第一能量存储器3串联的第二能量存储器4以及熔断器5。此外，根据图1的变换器电路具有为每相R、S、T提供的并且与直流电压电路1并联的至少一对支路6，每对支路6具有功率半导体开关，即一般来说，每对支路6因而具有任何所需数量的功率半导体开关，所以每对支路6仅具有单个功率半导体开关的实施例也是可以设想的。每对支路6和直流电压电路1之间的连接经由直流电压电路1的汇流排系统来建立。各功率半导体开关最好是采用可驱动双向功率半导体开关的形式，特别是包含具有同样是背对背并联的二极管的绝缘栅极(IGBT)的双极型晶体管的形式。当然，还可以设想以下情况：上述可驱动双向功率半导体可以是例如开关闸流管、如GTO或具有相应电路的IGCT、或者具有背对背并联的二极管的功率MOSFET等形式。
在图1所示的根据本发明的变换器电路的实施例中以及在以下根据图3和图5所述的实施例中，根据本发明的变换器电路在每种情况下都属于例如三相设计。但是，一般来说，根据本发明的变换器电路可具有任意相数，在此情况下，如上所述，为每相提供具有相应功率半导体开关的一对支路6。
根据本发明，熔断器5形成第一能量存储器3和第二能量存储器4之间的连接。这有利地提供了直流电压电路1，从而提供具有低电感、具有短路电流保护的变换器电路，因为与已知的具有短路电流保护的变换器电路相比，可省去熔断器5，从而可减少变换器电路的总寄生电感。与根据先有技术的变换器电路中的熔断器5的许多配置相比，在正常工作中，由于根据本发明的变换器电路中的熔断器5的配置，使得只有较小的电流经过熔断器5，从而能够选择具有低额定电流的低价熔断器5。另外，这时已减小的总寄生电感导致总寄生电感和直流电压电路1的能量存储器3、4之间的电振荡，这个电振荡由被开关、特别是被断开的变换器电路的一对支路6的功率半导体开关所引起，并且只有极小幅度、特别是电流幅度。从而能够有利地减少变换器电路的其它元件上的电和热负荷。
如果在一对支路6的一个或多个可驱动的功率半导体开关中出现短路电流，则两个能量存储器3、4极迅速地放电，短路电流主要流经相应支路对6的被短路的功率半导体开关。形成两个能量存储器3、4之间的连接的熔断器5现在的作用是通过使直流电压电路子系统2.1隔离、从而使短路电流不经过受主要影响的支路对6以及其它支路对6，尽快中断此短路电流。熔断器5最好是采用保险丝的形式，因为它们足够迅速，还因其构造而具有低电感。
根据图1和图2，直流电压电路子系统2.1的第一能量存储器3具有一个电容器，以及直流电压电路子系统2.1的第二能量存储器4具有一个电容器。在如图3所示根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第二实施例中，以及在如图3所示根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第二实施例的如图4所示的详细说明中，直流电压电路子系统2.1的第一能量存储器3具有两个电容器，以及直流电压电路子系统2.1的第二能量存储器4同样具有两个电容器。因此，一般来说，可以设想，直流电压电路子系统2.1的第一能量存储器3具有至少一个电容器、以及直流电压电路子系统2.1的第二能量存储器4具有至少一个电容器。根据图3和图4，在直流电压电路子系统2.1的第一能量存储器3具有两个或两个以上电容器的情况下，这些电容器是并联的。此外，根据图3和图4，在直流电压电路子系统2.1的第二能量存储器4具有两个或两个以上电容器的情况下，这些电容器也是并联的。电容器的上述并联电路有利地提高了直流电压电路子系统2.1的电容，从而提高了直流电压电路1本身的电容。或者，还可以设想，在第一能量存储器3具有两个或两个以上电容器的情况下，这些电容器是串联的，以及在第二能量存储器4具有两个或两个以上电容器的情况下，这些电容器同样是串联的。电容器的上述串联电路能够有利地提高直流电压电路子系统2.1的电压，从而提高直流电压电路1本身的电压，因为直流电压电路子系统2.1的总电压是每个电容器上的各电压之和。
根据图1和图3，在每种情况下，两相R、S、T经由另一个可驱动短路元件8相互连接。在此情况下，各相R、S、T之间的连接具有低阻抗值，也就是仅具有极低的串联阻抗。该另一个可驱动短路元件8在一相或多相R、S、T出现短路的情况下，防止来自这些相R、S、T、例如来自电源系统的短路所引起的短路电流通过相应支路对6的功率半导体开关，特别是在相应设计的功率半导体开关的情况下通过背对背并联的二极管，或者仅允许短路电流以小幅度流过，使功率半导体开关不受到进一步损坏或破坏，或者根本不受到损坏或破坏。当通过检测装置在一对支路6中检测到短路电流时，驱动该另一个短路元件8，在此情况中的该另一个可驱动短路元件8能够使每种情况下连接到该另一个短路元件8的两相R、S、T短路。对于根据本发明的三相变换器电路，还可设想，在每种情况下，仅对两相R、S、T提供另一个短路元件8。有利的是，这种另一个可驱动短路元件8是由背对背并联且各具有压力触点的两个可驱动功率半导体、如盘形晶闸管或GTO组成的。该另一个可驱动短路元件8也可以是三端双向可控硅开关的形式。
根据图1和图3，本发明的变换器电路具有至少一个与直流电压电路子系统2.1并联的一个可驱动短路元件7。如果一对支路6的一个或多个可驱动功率半导体开关出现短路，则这个可驱动短路元件7确保来自能量存储器3、4或者来自各相R、S、T、也就是例如来自电源系统的短路所引起的短路电流只是极其短暂地流经相应支路对6的短路功率半导体开关，然后再转向短路元件7，以免短路功率半导体开关再受到损坏或破坏。当通过检测装置在一对支路6中检测到短路电流时，驱动短路元件7，在此情况中的可驱动短路元件7通过直流电压电路1的相应开关而被短路。当驱动短路元件7时，背对背并联的二极管在相应功率半导体开关的情况下，在例如未提供所述另一个短路元件8时，遇到短路电流。有利的是，这种可驱动短路元件7是具有压力触点的可驱动功率半导体、如盘形晶闸管或GTO的形式。具有这种构造的这个可驱动短路元件7最好是直接设置在一对支路6与直流电压电路1的汇流排系统的连接上，从而进一步节省空间，以及可实现根据本发明的低电感变换器电路。为了在如上所述的直流电压电路子系统2.1以及因而直流电压电路1短路的情况下提高载流容量，还可设置与直流电压电路子系统2.1并联的两个或两个以上可驱动短路元件7。短路元件7的另一个优点在于，直流电压电路子系统2.1的两个能量存储器3、4通过短路元件7的开关转换而在任何较早阶段放电，从而熔断器5能够更快速地响应。熔断器5的早期响应能够更有效地防止短路主要影响的支路对6以及其它支路对6受到进一步损坏或破坏。
图5表示根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的第三实施例。根据图5的变换器电路与图1和图3所示以及以上详细描述的变换器电路的实施例的不同之处在于，直流电压电路1具有前一个直流电压电路子系统2.1的至少一个其它直流电压电路子系统2.2、...、2.n，其中直流电压电路子系统2.1、...、2.n相互并联。如图3所示一样，根据图5，各直流电压电路子系统2.1、...、2.n对于相关的第一能量存储器3可具有两个或两个以上电容器，以及对于相关的第二能量存储器4可具有两个或两个以上电容器。如图3所示一样，根据图5，在此情况下的各直流电压电路子系统2.1、...、2.n的第一和第二能量存储器3、4的电容器最好是相互并联。如图3所示根据本发明的变换器电路的第二实施例的描述中已经提到的那样，电容器的并联电路有利地提高了各直流电压电路子系统2.1、...、2.n的电容，从而提高直流电压电路1本身的电容。或者，如图3所示根据本发明的变换器电路的第二实施例的描述中已经提到的那样，各直流电压电路子系统2.1、...、2.n的第一和第二能量存储器3、4的电容器相互串联也是可行的。电容器的这种串联电路可有利地提高各直流电压电路子系统2.1、...、2.n的电压，从而提高直流电压电路1本身的电压。各直流电压电路子系统2.1、...、2.n的第一能量存储器3和第二能量存储器4在每种情况下无疑也可仅具有一个电容器。在根据图5的变换器电路的实施例中，如图1和图3中那样，设置了可驱动短路元件7以及对于每种情况下的两相R、S、T设置了另一个可驱动短路元件8，参照图1和图3对具有其中所述优点的可驱动短路元件7、8的详细描述。在如图5所示根据本发明的变换器电路的实施例中，以及如图1至图4所示那样，对各直流电压电路子系统2.1、...、2.n设置了熔断器5，并且它形成相关直流电压电路子系统2.1、...、2.n的第一能量存储器3和所述直流电压电路子系统2.1、...、2.n的第二能量存储器4之间的连接。
在前一个直流电压电路子系统2.1之外还提供另一个并联直流电压电路子系统2.2、...、2.n的优点在于，总寄生电感可通过直流电压电路子系统2.1、...、2.n的并联电路进一步降低。这还有利地确保开头提到的总寄生电感与直流电压电路1的全部第一和第二能量存储器3、4之间的电振荡的幅度能够进一步减少。因此，可以有利地使变换器电路的其它元件上的电和热负荷降到最低。
另一个优点在于以下事实：如果直流电压电路子系统2.1、...、2.n之一中出现短路，则只有受到短路影响的直流电压电路子系统2.1、...、2.n才通过相关熔断器5与其余直流电压电路1隔离。因此，这些冗余的直流电压电路子系统2.1、...、2.n能够有利地实现高度选择性，使根据本发明的变换器电路能够实际上没有任何限制地利用未受短路影响的其它直流电压电路子系统2.1、...、2.n继续工作。当根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路用于例如电气铁路中的牵引应用时，尤其需要变换器电路的这种不间断工作。
根据本发明的具有短路电流保护的变换器电路的整体特征在于其简单和易于安装、从而节省成本的构造，能够利用最少量的元件进行工作，并且还能够以节省空间、因而紧凑的方式进行设计。
参考标号列表
1 直流电压电路
2.1、...、2.n 直流电压电路子系统
3 第一能量存储器
4 第二能量存储器
5 熔断器
6 支路对
7 一个可驱动短路元件
8 另一个可驱动短路元件
Claims (8)
1.一种具有短路电流保护的变换器电路，它具有：直流电压电路(1)，所述直流电压电路(1)由直流电压电路子系统(2.1)构成，所述直流电压电路子系统(2.1)具有第一能量存储器(3)、与所述第一能量存储器(3)串联的第二能量存储器(4)以及熔断器(5)；以及为所述变换器电路的每相(R，S，T)设置的并且与所述直流电压电路(1)并联的至少一条支路(6)，每条支路(6)具有功率半导体开关，其特征在于，
所述熔断器(5)将所述第一能量存储器(3)与所述第二能量存储器(4)进行连接，以及
一个可驱动短路元件(7)与所述直流电压电路子系统(2.1)并联，从而当通过一个检测装置在一条支路(6)中检测到短路电流时，驱动所述可驱动短路元件(7)，并且通过相应开关，所述可驱动短路元件使所述直流电压电路(1)短路。
2.如权利要求1所述的变换器电路，其特征在于，所述第一能量存储器(3)具有至少一个电容器，以及
所述第二能量存储器(4)具有至少一个电容器。
3.如权利要求2所述的变换器电路，其特征在于，在第一能量存储器(3)具有两个或两个以上电容器的情况下，第一能量存储器(3)中的所述电容器是并联的，以及
在第二能量存储器(4)具有两个或两个以上电容器的情况下，第二能量存储器(4)中的所述电容器是并联的。
4.如权利要求2所述的变换器电路，其特征在于，在第一能量存储器(3)具有两个或两个以上电容器的情况下，第一能量存储器(3)中的所述电容器是串联的，以及
在第二能量存储器(4)具有两个或两个以上电容器的情况下，第二能量存储器(4)中的所述电容器是串联的。
5.如上述权利要求中任一项所述的变换器电路，其特征在于，在第一能量存储器(3)具有两个或两个以上电容器的情况下，或者在第二能量存储器(4)具有两个或两个以上电容器的情况下，所述变换器电路的每两相(R，S，T)之间经由另一个可驱动短路元件(8)相互连接。
6.如权利要求5所述的变换器电路，其特征在于，所述另一个可驱动短路元件(8)是由背对背并联且各具有压力触点的两个可驱动功率半导体开关形成的。
7.如上述权利要求1-4中任一项所述的变换器电路，其特征在于，所述可驱动短路元件(7)采用具有压力触点的可驱动功率半导体的形式。
8.如上述权利要求1-4中任一项所述的变换器电路，其特征在于，所述直流电压电路(1)具有至少一个其它直流电压电路子系统(2.2，...，2.n，n为大于等于2的正整数)，各其它直流电压电路子系统(2.1)具有各自相应的第一能量存储器(3)和各自相应的第二能量存储器(4)，该各自相应的第二能量存储器(4)与该各自相应的第一能量存储器(3)串联，且所述直流电压电路子系统(2.1，...，2.n，n为大于等于2的正整数)相互并联。
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