CN101860252A - 优化器件过流保护扩大系统安全运行区的三电平变换器 - Google Patents

Abstract

优化器件过流保护扩大系统安全运行区的三电平变换器属于电力电子变换器技术领域，其特征在于：将常规具有器件过流保护功能的驱动电路用于三电平变换器，针对位于变换器不同拓扑位置开关器件的驱动电路，进行过流保护参数相互关联的合理设置，从而避免驱动过流保护动作时发生单个器件承受全边直流母线电压的现象，保证开关器件及变换器的安全、正常工作。本发明依据开关器件特性、变换器换流过程来确定过流保护的阈值，充分利用开关器件的关断电流能力，扩大变换器系统安全运行区域，同时不需要改变变换器的控制系统，具有易于实现、可靠性高的优点。

Description

优化器件过流保护扩大系统安全运行区的三电平变换器

技术领域

本发明属于电力电子应用技术领域，适用于基于电力电子开关器件IGBT、IGCT或MOSFET等的三电平变换器，避免单个开关器件驱动过流保护直接用于变换器发生器件承受全边直流母线电压等现象，保证开关器件及变换器的安全、正常工作。

背景技术

目前，电力电子变换器应用范围非常广泛，可以覆盖到发电、输电、储电和用电的所有应用领域，成为例如电机变频调速节能、电能质量控制、高品质电源、新能源发电等应用的基础，但由于电力电子器件的水平有限，开关速度和容量存在矛盾，所以高性能的开关器件和变换器拓扑综合考虑成为一种理想解决办法。近10年来，三电平变换器得到快速的发展，如用于电力系统电能质量控制的基于高压IGBT的三电平变换器、用于高压高性能变频调速的基于IGCT的三电平变换器、用于高效率新能源并网发电的基于MOSFET的三电平变换器等。这类变换器的优点之一是，主电路中的每个开关器件只承受一半的直流母线电压，可充分利用器件的电压等级，无需动态均压电路。

但是，将传统的两电平变换器所使用的单个开关器件驱动过流保护直接用于该类变换器中，在某些特定条件下，将破坏上述的优点，甚至直接造成开关器件损坏。在传统的两电平变换器所使用的驱动电路中，其过流保护功能只考虑所驱动器件本身，不需要考虑与其他器件的关系。而在三电平变换器中，变换器拓扑不再像两电平电路那样具有完美的对称性，变换器中存在“内管”和“外管”之分，两者之间的开关动作存在关联，流经“外管”的电流一定要流经“内管”，这种拓扑上的关联，决定了传统的独立开关器件驱动过流保护直接使用将存在破坏变换器安全运行的风险，本发明正是通过一种优化器件过流保护解决该问题，并依据参数的选择来扩大变换器安全运行区，实现优化器件过流保护扩大系统安全运行区的三电平变换器。

发明内容

本发明的目的在于扩大三电平变换器的系统运行区。

本发明的特征在于，

在任何相，上半臂由两个开关器件(T_X1，T_X2)IGBT模块串联而成，

下半臂由两个开关器件(T_X3，T_X4)IGBT模块串联而成，

所述开关器件(T_X2)的发射极和开关器件(T_X3)的集电极相连，构成输出端，

在所述开关器件(T_X4)和开关器件(T_X3)的串接点到开关器件(T_X2)和开关器件(T_X1)的串接点之间依次正向串接有两个箝位二极管，

在所述开关器件(T_X2)的发射极和开关器件(T_X1)的集电极之间，在所述开关器件(T_X4)的发射极和开关器件(T_X3)的集电极之间，各输入半边直流母线电压

在所述各开关器件(T_X1、T_X2、T_X3、T_X4)的栅极分别输入一个由外部驱动电路输入的PWM驱动信号，

所述两个开关器件(T_X2、T_X3)对应的所述驱动电路的过流保护阈值设置为I_IN，而I_IN＝k₁I_C，其中，I_C为所述两个开关器件(T_X2、T_X3)最大可关断电流值，0.8≤k₁≤0.95，

所述两个开关器件(T_X1、T_X4)对应的所述驱动电路的过流保护阈值设置为I_EX，而I_EX＝k₂I_IN，0.9≤k₂≤0.95，

所述X为U、V、W各相的代码，

对于U相，所述X＝U，

对于V相，所述X＝V，

对于W相，所述X＝W。

本发明的效果是避免单个开关器件驱动过流保护动作时，发生器件承受全边直流母线电压现象，保证开关器件及变换器的安全、正常工作，并可以调整相应系数来扩大变换器系统安全运行区。

附图说明

图1.本发明系统结构示意图；

图2.单个开关承受全边母线电压现象的情况之一及采用本发明器件过流保护的情况；

图3.单个开关承受全边母线电压现象的情况之二及采用本发明器件过流保护的情况。

具体实施方式

本发明是一种优化器件过流保护扩大系统安全运行区的三电平变换器，适用于基于电力电子开关器件IGBT、IGCT或MOSFET等变换器。将常规单个开关器件的驱动电路用于变换器时，通过不同拓扑位置的开关器件驱动过流保护参数相关联的合理设置，从而避免单个开关器件驱动过流保护动作时发生器件承受全边直流母线电压的现象，保证开关器件及变换器的安全、正常工作。本发明依据开关器件特性、变换器换流过程来确定过流保护的阈值，充分利用开关器件的关断电流能力，扩大变换器系统安全运行区，同时不需要改变变换器的控制系统，具有易于实现、可靠性高的优点。基于IGBT的变换器拓扑如图1所示(基于IGCT和MOSFET等器件的电路在此不赘述)，其中驱动电路从变换器的控制系统接收12路PWM驱动脉冲，向12个开关器件(IGBT或者IGCT、MOSFET)发出12路PWM驱动信号，每路驱动电路能够检测对应开关器件电流状态，当流过器件的电流达到设定阈值时能够主动关闭对应的开关器件，即每个驱动电路是能对单个器件进行过流保护的常规驱动电路。

则本发明按照以下步骤实现的器件过流保护：

步骤1：根据12个开关器件的用户手册，确定开关器件的最大可关断电流值为IC，一般的12个开关器件为相同型号，其最大可关断电流能力是器件的最主要性能，是器件标识的主要参数，如1200伏600安的IGBT，指的就是在一定温度条件下，其最大可关断电流为600A；

步骤2：将图1所示的变换器中的“内管”，即T_U2、T_U3、T_V2、T_V3、T_W2和T_W3这6只开关器件对应的驱动电路的过流保护阈值设置相同，均为I_IN，而I_IN＝k₁I_C，其中0.8≤k₁≤0.95，考虑驱动电路检测到过流与开关器件关断动作完成之间存在时间延迟，在该延迟内，器件中的电流仍在增大，为保证器件安全关断，其过流保护设定值I_IN要比器件最大可关断电流I_C小，系数k₁越接近1，对驱动电路要求越高；

步骤3：将变换器中的“外管”，即T_U1、T_U4、T_V1、T_V4、T_W1和T_W4这6只开关器件对应的驱动电路的过流保护阈值设置相同，均为I_EX，而I_EX＝k₂I_IN，其中0.9≤k₂≤0.95，外管对应的驱动电路过流保护阈值要比内管的小，即内管和外管中流经相同电流，该电流在不断增加的过程中，保证外管先进行过流保护关断动作，否则可能发生内管承受全边直流母线电压的现象，考虑到各驱动电路参数设置的分散性，内管和外管的过流保护阈值之间有一定的差距，用系数k₂表示，其越接近1，对驱动电路的参数设置的准确度要求越高，在使用相同开关器件条件下，k₁·k₂越接近1，系统可输出的最大电流越大，变换器系统安全运行区域越大。

上述步骤和关键参数确定具有以下特征：

1.变换器系统的最大可输出电流跟I_C、k₁和k₂密切相关，其中I_C为变换器中开关器件的最大可关断电流，k₁为驱动电路保护动作带来的电流折算系数，k₂为不同拓扑位置电流折算系数，k₁和k₂的合理选择，能够扩大系统安全运行区；

2.内管和外管使用了不同的电流保护阈值，即使用了系数k₂，保证了开关器件保护动作之间的相互关系，避免了过流保护动作时单个开关器件承受全边母线电压而造成损坏；

3.除了脉冲信号，该方法不需要附加的变换器状态识别；

4.器件过流保护只在驱动电路中实现，不需要改变一般变换器的控制系统，实现简单，可靠性高。

通过分析可以证明本发明的中器件过流保护作用，为说明方便，采用“1”和“0”来表示开关器件驱动信号的状态，“1”表示让开关器件导通，“0”表示让开关器件阻断。

图1是本发明系统结构示意图。

图2是单个开关承受全边母线电压现象情况之一及采用本发明器件过流保护的情况。对于变换器的一个桥臂，比如U相桥臂，当桥臂处于“1100”状态，即T_U1、T_U2导通，T_U3、T_U4阻断，如图中(a)所示，当流经开关器件的电流发生过流时，直接使用常规驱动电路并且T_U1、T_U2使用一样的过流保护阈值设置，存在以下两种情况：

1)由于驱动电路参数的发散性，有可能造成T_U2的保护动作先执行，T_U2关断，保护动作完成时则形成如图中(b)所示的情况，此时T_U2将承受全边直流母线电压；

2)即使T_U1、T_U2同时保护动作，保护动作完后形成如图中(d)所示情况，在(a)向(d)的动作中存在两器件同时动作，有一个器件承受大于半边直流母线电压的情况，同时输出电压存在全边直流母线电压的跳跃。

这两种情况都损失了三电平变换器的优点，甚至造成器件过压损坏。而在本发明中，确保了此时外管T_U1先于内管T_U2动作关断，形成如图中(c)所示的状态，如果电流继续增加触发T_U2保护动作，或者由控制系统封锁所有脉冲，形成如图中(d)所示情况，在采用本发明的过流保护策略形成的(a)到(c)到(d)的过程中，无器件承受过压的现象，同时输出电压不存在全边直流母线电压的跳跃。

图3是单个开关承受全边母线电压现象情况之二及采用本发明器件过流保护的情况。对于三电平变换器的一个桥臂，比如U相桥臂，当桥臂处于“0011”状态，即T_U1、T_U2阻断，T_U3、T_U4导通，如图中(a)所示。当流经开关器件的电流发生过流时，直接使用常规驱动电路并且T_U3、T_U4使用一样的过流保护阈值设置，同样存在可能使器件承受过压的两种情况，即从(a)到(b)或者(a)到(d)的情况，而在本发明中，器件过流保护形成的(a)到(c)到(d)的过程中，无器件承受过压的现象，详细分析与跟“1100”状态类似，不再赘述。

虽然，在所有器件过流保护阈值设置为一样的方式中，不是每一台变换器每次保护动作都发生器件承受过压的情况，但其仍是一个巨大隐患，而在本发明中，优化的器件过流保护避免了这一情况。同时在本发明中，根据器件特性来确定I_C，根据三电平不同的拓扑位置来确定内管和外管的过流保护阈值，使用了两个关键系数，k₁为驱动电路保护动作带来的电流折算系数，k₂为不同拓扑位置电流折算系数，k₁和k₂的合理选择，扩大了系统安全运行区。

Claims (1)

1.优化器件过流保护扩大系统安全运行区的三电平变换器，是具有U、V、W三相的三相桥式三电平变换器，其特征在于，

在任何相，上半臂由两个开关器件(T_X1，T_X2)IGBT模块串联而成，下半臂由两个开关器件(T_X3，T_X4)IGBT模块串联而成，

所述开关器件(T_X2)的发射极和开关器件(T_X3)的集电极相连，构成输出端，

在所述开关器件(T_X4)和开关器件(T_X3)的串接点到开关器件(T_X2)和开关器件(T_X1)的串接点之间依次正向串接有两个箝位二极管，

在所述开关器件(T_X2)的发射极和开关器件(T_X1)的集电极之间，在所述开关器件(T_X4)的发射极和开关器件(T_X3)的集电极之间，各输入半边直流母线电压

在所述各开关器件(T_X1、T_X2、T_X3、T_X4)的栅极分别输入一个由外部驱动电路输入的PWM驱动信号，

所述两个开关器件(T_X2、T_X3)对应的所述驱动电路的过流保护阈值设置为I_IN，而I_IN＝k₁I_C，其中，I_C为所述两个开关器件(T_X2、T_X3)最大可关断电流值，0.8≤k₁≤0.95，

所述两个开关器件(T_X1、T_X4)对应的所述驱动电路的过流保护阈值设置为I_EX，而I_EX＝k₂I_IN，0.9≤k₂≤0.95，

所述X为U、V、W各相的代码，

对于U相，所述X＝U，

对于V相，所述X＝V，

对于W相，所述X＝W。

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