CN101976944A - 用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路，它可有效地降低功率器件开关过程中的冲击尖峰电流、di/dt和du/dt，可防止开关器件出现误触发以有效保护功率器件。在每一相上均设有结构相同的IGBT桥臂保护电路，该电路包括一对IGBT开关管Q1、Q2，每个IGBT开关管Q1、Q2反并联一个二极管D1、D2；在该桥臂输入端与电感L1连接；同时该桥臂输出端分别与串联的二极管D3、电容C以及串联的电感L、电容C1、电容C2并联；二极管D3的阳极经电阻R与电容C1一端连接。

Description

用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路

技术领域

本发明涉及一种用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路。

背景技术

电流输出型逆变器与一般电压源型逆变器的主要区别是直流侧工作电压特别高，逆变桥输出经电感接交流电压源。典型的电流输出型逆变器包括有源电力滤波器、静止无功发生器和光伏逆变器等，为保证输出电流的良好跟踪特性，其工作电压至少为两倍的交流相电压峰值(赵国鹏，刘进军.静止无功发生器直流侧电压对无功补偿特性的影响研究[J].西安交通大学学报，2010，44(4)：66-70.)。在无保护电路时，逆变桥上下桥臂换流时，由于二极管存在反向恢复时间，桥臂在一定时间内会处于上下直通状态。若此时直流侧电压较高，则将产生很大的瞬时直通电流，进而产生极大的电流变化率和电压变化率，容易导致开关器件的误触发或烧毁。虽然有些在工业中应用的电压输出型逆变器也存在桥臂直通问题，但由于直流侧电压较低，产生的直通冲击电流较小，危害性较低而不被人们重视。

文献(马俊兴，孙汉卿.IGBT短路保护的驱动电路的设计[J].通信技术，2009，42(11)：235-237.；胡宇，吕征宇.IGBT驱动保护电路的设计与测试[J].机电工程，2008，25(7)：58-60，71.；邱进，陈轩恕，刘飞，等.基于有源电力滤波器的IGBT驱动及保护研究[J].通信电源技术，2008，25(5)：4-6.)提出了基于IGBT驱动电路的保护方案，通过检测过电流的大小决定是否关闭IGBT驱动电路，但这类方法没考虑逆变电路正常工作时由续流二极管、另一桥臂开关管和直流侧电压引起的直通过电流，易造成逆变电路不能正常工作。有些保护电路还通过在开关管两侧并联高频电容以降低开关损耗和过电压，反而更增加了二极管反向恢复时的过电流峰值。文献[Etxeberria-Otadui I，San-Sebastian J，Viscarret U，et al.Analysis of IGCT current clamp designfor single phase H-bridge converters[C].Power electronics specialistsconference，2008，PESC 2008，IEEE：4343-4348]提出了一种用于集成门极换流晶闸管(IGCT)的保护电路，但并未将其用于带有反并联二极管的IGBT保护中。

首先基于工作原理和实验波形，分析功率器件的动态开关特性，以及由器件开关特性引起的直通现象而产生电流尖峰的原因。通过分析发现，完全消除电流尖峰是不可能的，只能采取必要措施以降低电流尖峰的幅值并将其限制在开关器件可以承受的合理范围内。

1逆变电路产生瞬时电流尖峰的机理分析

典型的电流输出型三相四线逆变器的等效电路如图1所示，具有典型的半桥拓扑结构。图1中，Q₁和Q₂为IGBT开关管，D₁和D₂为Q₁和Q₂反并联二极管。

在图1中，以由D₁和D₂以及Q₁和Q₂组成的桥臂为例，当桥臂的两个开关管都没有驱动信号时，假定此时电流流经D₁，则当Q₂开通时，电流从D₁转移到Q₂，当D₁电流降到零时，电感电流已全部转移到Q₂。由于二极管D₁反向恢复时间的存在，此时D₁处于反向导通状态，直流侧电压直接加到D₁和Q₂上。由于D₁和Q₂的动态阻抗很低，直流侧电压在D₁和Q₂上产生很大的直通电流，唯一限制直通电流的是D₁和Q₂的动态阻抗和线路杂散电感。此后随着二极管PN结电荷势垒区的恢复，二极管恢复反向阻断状态，但由于线路杂散电感和二极管PN结等效电容的作用，电流呈现振荡下降的趋势。

由于在图1电路中直流侧电压很高[赵国鹏，刘进军.静止无功发生器直流侧电压对无功补偿特性的影响研究[J].西安交通大学学报，2010，44(4)：66-70.]，当此种直通现象发生时冲击电流会达到一个很大的值，从而产生很大的di/dt和du/dt，极易造成开关器件的误动作而导致器件损坏。

图2a、图2b为无保护电路时的桥臂电流电压波形：

图2a中，在电流尖峰时刻前，电流流经二极管D₂。图2b中，t₁时刻Q₂保持关闭，Q₁打开，由于IGBT开通时间极短，电流很快由D₂转移到Q₁，此时D₂由于反向恢复时间的关系仍然保持为开通状态，直流侧电压经杂散电感回到开通的D₂和Q₂上，形成很大的直流环路直通尖峰电流。t₂时刻，二极管正向导通所需的结电荷在尖峰电流的作用下消耗完毕，势垒区开始恢复，电流开始下降。由于结电容和杂散电感的关系，电流振荡减小，直到二极管完全恢复阻断状态为止。

发明内容

本发明的目的就是为解决逆变桥桥臂电路产生冲击尖峰电流的危害，提供一种用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路，它可有效地降低功率器件开关过程中的冲击尖峰电流、di/dt和du/dt，可防止开关器件出现误触发以有效保护功率器件。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路，在每一相上均设有结构相同的IGBT桥臂保护电路，该电路包括一对IGBT开关管Q1、Q2，每个IGBT开关管Q1、Q2反并联一个二极管D1、D2；在该桥臂输入端与电感L1连接；同时该桥臂输出端分别与串联的二极管D3、电容C以及串联的电感L、电容C1、电容C2并联；二极管D3的阳极经电阻R与电容C1一端连接。

所述电感L取值远小于电感L1取值。

所述电容C取值远小于电容C1、电容C2取值。

所述电阻R取值应保证电容C1、电容C2两端电压U与电阻R确定的流经电阻R的电流值小于IGBT二极管的最大允许方向恢复电流。

本发明的有益效果是：结构简单，可有效地降低功率器件开关过程中的冲击尖峰电流、di/dt和du/dt，可防止器件出现误触发，能有效保护功率器件。大量的实验结果证明了该桥臂保护电路的有效性和工作可靠性。

附图说明

图1为现有逆变单元等效电路图；

图2a为无保护电路时的电流尖峰图；

图2b为无保护电路时的电流尖峰图；

图3为本发明中与一相连接的IGBT保护电路示意图；

图4a为本发明的保护试验波形；

图4b为本发明的保护试验波形。

具体实施方式

下结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

在图1所示的三相四线开关电路中，每一相都可以单独控制其开关过程和输出电流，本发明提出的IGBT桥臂保护电路拓扑如图3所示。

在原IGBT桥臂上并联了LCRD(电感、电容、电阻和二极管组成的)桥臂保护电路，在取值上电感L远小于电感L₁，电容C远小于电容C₁和C₂，电阻R的取值则需使得U/R小于IGBT二极管的最大允许反向恢复电流。

若原电流为Q₂开通时电流流经Q₂，D₃保持关断状态，Q₂上的电压为零。当Q₂关断时，电流转移到D₁上，并经D₃对电容C进行充电。此时由于没有二极管处于反向恢复状态，因此在电路中不会出现明显的桥臂直通现象，没有大的冲击电流出现，此种运行状态对电路影响不大，可以忽略其造成的影响。

若原电流为Q₂开通时电流流经D₂，D₃保持关断状态，Q₂上的电压为零。当Q₂关断时，电流继续流经D₂，Q₂上的电压仍为零。当Q₁开通时，电流由D₂转移到Q₁，此时桥臂处于短路状态，电压U直接加到电感L上，设电感L上的电压为i，则有

$\mathrm{di}=\frac{U}{L}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

此时在电感L的限流作用下，IGBT电流缓慢上升，Q₁上的电压为零，Q₁实现零电压开通。此后A点电压逐渐上升，直到D₂经过反向恢复过程后完全恢复阻断能力。

实验波形如图4a中“2.2”所标示部分。

若原电流为Q₁开通时电流流经Q₁，D₃保持关断状态，Q₁上的电压为零。当Q₁关断时，电流转移到D₂上。此时由于没有二极管处于反向恢复状态，因此在电路中不会出现明显的桥臂直通现象，没有大的开关管冲击电流出现。但此时D₃导通，电感L上的电流经D₃、C、R、C₁和C₂放电，有

$L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=U-u_c---\left(2\right)$

$p_R=\frac{{(u_c-U)}^2}{R}---\left(3\right)$

在此开关状态下逆变器将有部分功率消耗在电阻R上，影响逆变器效率。

若原电流为Q₁开通时电流流经D₁，D₃保持关断状态，Q₁上的电压为零。当Q₁关断时，电流仍然流经D₁。当当Q₂开通时，电流由D₁转移到Q₂，当D₁电流为零时，电路进入桥臂直通状态，但由于电感L的限流作用，会出现和“2.2”同样的情况。

若原电流为Q₂开通时电流流经D₂，且此时电感L经D₃保持有一定电流，则当当Q₂关断时，电流继续流经D₂，Q₂上的电压仍为零。当Q₁开通时，电流由D₂转移到Q₁，此时桥臂处于短路状态。此时D₃上的电流转移到Q₁，D₃可以和D₂一同处于反向恢复状态，电容C上的电压直接加到桥臂上，同时经短暂时间后电压U也通过电阻R加到桥臂上，桥臂上的电流为电容C上的电压在桥臂上产生的电流加上电阻R上的电流再加上电感L上的电流，此时冲击电流最大，对桥臂也最危险，在选择元件时要加以优化。

冲击电流如图4b所示。但由于电容C容量较小，放电时间很短，而L上的电流不能突变，因此电流主要由电阻R上的电流组成。由图中可见，电容C放电时电容电压下降，放电至电阻R电流为零时停止放电，由U对其充电，电压开始上升。当电感L上电压降为零时电容C电压保持稳定。在这个过程中还会由于开关管杂散参数的影响电容电压会有波动。

本发明中逆变桥保护电路的参数选择：

1电感的选择

由IGBT参数可知，IGBT允许冲击电流一般远大于其反并联二极管允许冲击电流。由公式(1)可知，电感的选择应使在二极管的反向恢复时间内的电流增加值低于二极管最大允许冲击电流(因二极管参数中一般不提供最大允许反向恢复电流，而大电流二极管基本上都是面二极管，承受电流能力主要取决于PN结面的大小，因此用最大允许冲击电流代替最大允许反向恢复电流)。设二极管反向恢复时间为Δt，最大允许冲击电流为I_m，则有

$L>\frac{U}{I_m}\mathrm{\Δt}---\left(4\right)$

L越大，则电流上升率越低，对电路的保护功能越好。同时，L上存储的能量将会有一部分消耗在电阻上，因此L又应尽量小，以提高逆变电路的效率。

在本实验中，取

2电容C的选择

由于电路中均有杂散电感的存在，同时IGBT等效模型参数变动范围也很大，而电容C相对容量又较小，因此电容C的选择比较复杂。在本实验中通过实验方法得到了比较合适的电容值。

3电阻R的选择

电阻R的选择应使U/R小于反并联二极管允许冲击电流，同时电阻R又应尽量小以降低电阻R上的功耗。在本文实验中取

$R=2\frac{U}{I_m}---\left(5\right)$

4二极管D₃的选择

二极管的选择应尽量选取反向恢复时间短的二极管，以降低开关损耗和冲击电流，并且其最大允许冲击电流应大于IGBT反并联二极管最大允许冲击电流。在实验研究中选择超快恢复二极管。

Claims (4)

1.一种用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路，其特征是，在每一相上均设有结构相同的IGBT桥臂保护电路，该电路包括一对IGBT开关管Q1、Q2，每个IGBT开关管Q1、Q2反并联一个二极管D1、D2；在该桥臂输入端与电感L1连接；同时该桥臂输出端分别与串联的二极管D3、电容C以及串联的电感L、电容C1、电容C2并联；二极管D3的阳极经电阻R与电容C1一端连接。

2.如权利要求1所述的用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路，其特征是，所述电感L取值远小于电感L1取值。

3.如权利要求1所述的用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路，其特征是，所述电容C取值远小于电容C1、电容C2取值。

4.如权利要求1所述的用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路，其特征是，所述电阻R取值应保证电容C1、电容C2两端电压U与电阻R确定的流经电阻R的电流值小于IGBT二极管的最大允许方向恢复电流。

Images