CN102386754A - 二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法及其实现电路 - Google Patents
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Abstract
一种二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法及其实现电路，当多电平变换器的逆变输出电流超过设定值时，先封锁外功率开关管，延时时间td1后封锁内功率开关管，保证外功率开关管只承受半边母线应力；当多电平变换器的逆变输出电流下降到设定值后，内功率开关管的封锁信号解除，外功率开关管的封锁信号必须由两个内功率开关管驱动信号的上升沿共同来解除。本发明可以用简洁的电路来避免故障恢复时的功率管不均压问题，使功率管的工作电压可以大大降低，为器件选型和设备安全带来极大的好处。本发明无需对主电路控制进行修改，不需要进行复杂的逻辑判断和编程，仅需要增加低廉的逻辑器件即可，极大地降低了硬件成本。
Description
技术领域
本发明公开一种二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法及其实现电路，可以应用于二极管箝位型的多电平变换器，其应用包括不间断电源(UPS)、变频器、逆变器等含有该部分拓扑的电力变换装置。
背景技术
二极管箝位型多电平电路是新型的电力变换拓扑，其单相的三电平逆变器拓扑结构如图1所示，功率管Q1-功率管Q4为主功率管，其中，功率管Q1和功率管Q4行业中通常称为外功率管，功率管Q2和功率管Q3行业中通常称为内功率管，电容C1-电容C4代表功率管Q1-功率管Q4的等效输出结电容或电路外加的电容，二极管D5和二极管D6为中点箝位二极管，其两端分别接各自的吸收电路，电容C5和电容C6是其中的吸收电容。其优点在于效率高，开关应力为母线的一半，是应用最广泛的多电平电路拓扑。当逆变器突加冲击性负载或者输出短路时，逆变器输出电流会迅速上升，一般的方法是检测到电流超过设定值时，封锁逆变器功率管的驱动，当电流下降到设定值以下时，解除功率管的驱动封锁，变换器正常工作。这种方法的主要问题是，当封锁信号解除时，功率管进入正常工作模式，假如功率开关管Q1，功率开关管Q2一起导通，则电容C1，电容C2和电容C5同时被充电，由于箝位二极管D5和箝位二极管D6的吸收电容C5和吸收电容C6的容值远大于功率管的输出等效结电容(电容C1-电容C4)，电容C1(或电容C4)的充电电压很低，所以这个过程中电容C2的电压会大于电容C1的电压，会存在内侧功率管和外侧功率管不均压的情况，严重影响器件的安全。
目前对于这种不均压的情况，业界有几种解决方法：一种是提高功率管的耐压值至总母线电压以上，如1200V，这样可以避免超过功率管的额定工作电压，但是会带来设备成本的增加；一种是增加新的控制电路，当电流下降到设定值后，增加一种新的发波时序，使内侧功率管先强制开通时间tc1，再根据当前工作状态使其中一个内侧功率管关断时间tc2，随后再进入正常的PWM发波方式，这种方法的好处是控制可靠，但是缺点是功能比较复杂，需要改变原有的PWM发波方式，所以需要增加复杂可编程逻辑器件(CPLD)等复杂器件来实现，也增加了系统的硬件成本。
发明内容
针对上述提到的现有技术中的二极管箝位型多电平电路中解决内侧功率管和外侧功率管不均压的问题，硬件实现成本高的缺点，本发明提供一种离散元件搭接成的简单实现电路，大大降低了产品的成本。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法，该方法为当多电平变换器的逆变输出电流超过设定值时，先封锁外功率开关管，延时时间td1后封锁内功率开关管，保证外功率开关管只承受半边母线应力；当多电平变换器的逆变输出电流下降到设定值后，内功率开关管的封锁信号解除，外功率开关管的封锁信号必须由两个内功率开关管驱动信号的上升沿共同来解除。
一种实现上述的保护方法的电路，电路包括内管保护电路和外管保护电路，每组外管保护电路包括一组D触发器U1和一个D触发器U2，外管驱动信号G1和外管驱动信号G4分别输入或门U3的两个输入端，或门U3的输出端连接至D触发器U1的时钟信号输入端，内管驱动信号G2或内管驱动信号G3分别输入与门U5的两个输入端，与门U5的输出端连接至D触发器U2的时钟信号输入端，过流信号连接至D触发器U2的复位信号输入端，D触发器U2的负输出端与D触发器U1的复位信号输入端连接，D触发器U1和D触发器U2的数据信号端接高电平，D触发器U1的正输出端和外管驱动信号G1或外管驱动信号G4分别输入与门U4的两个输入端，与门U4的输出端作为外功率开关管Q1或外功率开关管Q4的驱动信号；每组内管保护电路包括延时反向电路U7和与门U6，过流信号经过延时反向电路U7后和内管驱动信号G2或内管驱动信号G3分别输入与门U6的两个输入端，与门U6的输出端作为内功率开关管Q2或内功率开关管Q3的驱动信号。
本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：
所述的过流信号延时td1的时间长度为200μs-1000μs。
所述的过流信号延时td1的时间长度为500μs。
所述的方法为外管驱动信号G1或外管驱动信号G4作为D触发器U1的时钟信号，内管驱动信号G2和内管驱动信号G3共同作为D触发器U2的时钟信号，D触发器U1和D触发器U2的数据信号端都保持高电平，当多电平变换器的逆变输出电流超过设定值时，过流信号为高电平，作为D触发器U2的复位信号，使D触发器U2的负输出端输出低电平，D触发器U2的负输出端作为D触发器U1的复位信号，使D触发器U1的正输出端输出高电平外管驱动信号G1或外管驱动信号G4与逻辑后共同作为外功率开关管Q1或外功率开关管Q4的驱动信号，封锁外功率开关管Q1和外功率开关管Q4，同时，过流信号经过延时、反向后和内管驱动信号G2或内管驱动信号G3与逻辑后共同作为内功率开关管Q2或内功率开关管Q3的驱动信号，封锁内功率开关管Q2和内功率开关管Q3；当多电平变换器的逆变输出电流下降到设定值后，过流信号为低电平，过流信号经过延时、反向后输出高电平解除内功率开关管Q2和内功率开关管Q3的封锁信号，过流信号使D触发器U2的负输出端受内管驱动信号G2和内管驱动信号G3与逻辑后的上升沿控制，当内管驱动信号G2和内管驱动信号G3与逻辑后有上升沿时，D触发器U2的负输出端输出低电平，使D触发器U1的正输出端受外管驱动信号G1或外管驱动信号G4的上升沿控制，当外管驱动信号G1或外管驱动信号G4有上升沿时，解除对外功率开关管Q1和外功率开关管Q4的封锁。
当与门U4的两个输入端分别连接D触发器U1的正输出端和外管驱动信号G1时，与门U4的输出端作为外功率开关管Q1的驱动信号；当与门U4的两个输入端分别连接D触发器U1的正输出端和外管驱动信号G4时，与门U4的输出端作为外功率开关管Q4的驱动信号。
当与门U6的两个输入端分别连接延时反向电路U7的输出端和内管驱动信号G2时，与门U6的输出端作为内功率开关管Q2的驱动信号；当与门U6的两个输入端分别连接延时反向电路U7的输出端和内管驱动信号G3时，与门U6的输出端作为内功率开关管Q3的驱动信号。
所述的与门U6为与门芯片，延时反向电路U7为延时时间为200μs-1000μs的延时反向电路。
所述的延时反向电路U7为延时时间为500μs的延时反向电路。
本发明的有益效果是：本发明利用离散元件搭接成简单的控制电路，本发明可以用简洁的电路来避免故障恢复时的功率管不均压问题，使功率管的工作电压可以大大降低，为器件选型和设备安全带来极大的好处。本发明无需对主电路控制进行修改，不需要进行复杂的逻辑判断和编程，仅需要增加低廉的逻辑器件即可，极大地降低了硬件成本。
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为现有技术中二极管箝位型三电平电路的拓扑结构图(以单相为例)。
图2为本发明控制逻辑原理图。
图3为本发明限流保护过程中的功率管驱动时序图(正半周为例)。
具体实施方式
本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。
请参看附图2，本发明中电路包括两组内管保护电路和两组外管保护电路，其中两组内管保护电路是一样的，两组外管保护电路是一样的。下面各以其中一组为例，进行说明，其中一组外管保护电路包括一组D触发器U1和一个D触发器U2，外管驱动信号G1和外管驱动信号G4分别输入或门U3的两个输入端，或门U3的输出端连接至D触发器U1的时钟信号输入端，内管驱动信号G2或内管驱动信号G3分别输入与门U5的两个输入端，与门U5的输出端连接至D触发器U2的时钟信号输入端，过流信号连接至D触发器U2的复位信号输入端，D触发器U2的负输出端与D触发器U1的复位信号输入端连接，D触发器U1和D触发器U2的数据信号端接高电平，D触发器U1的正输出端和外管驱动信号G1分别输入与门U4的两个输入端，与门U4的输出端作为外功率开关管Q1的驱动信号。另一组外管保护电路与上一组相同，不同之处在于，与门U4的两个输入端分别连接D触发器U1的正输出端和外管驱动信号G4时，与门U4的输出端作为外功率开关管Q4的驱动信号。其中一组内管保护电路包括延时反向电路U7和与门U6，过流信号经过延时反向电路U7后和内管驱动信号G2分别输入与门U6的两个输入端，与门U6的输出端作为内功率开关管Q2的驱动信号。另一组内管保护电路与上一组相同，不同之处在于，与门U6的两个输入端分别连接延时反向电路U7的输出端和内管驱动信号G3时，与门U6的输出端作为内功率开关管Q3的驱动信号。本实施例中，延时反向电路U7可选用延时时间为200μs-1000μs的延时反向电路，优选的为延时时间为500μs延时反向电路。
上述实施例中以两组内管保护电路和两组外管保护电路为例进行具体说明，具体实施时，可根据实际需要将内管保护电路和外管保护电路扩展至多组，每组内管保护电路和外管保护电路的元器件及其连接关系与上述实施例中相同。
本发明中的限流保护方法，主要是当多电平变换器的逆变输出电流超过设定值时，先封锁外功率开关管，延时时间td1后封锁内功率开关管，保证外功率开关管只承受半边母线应力；当多电平变换器的逆变输出电流下降到设定值后，内功率开关管的封锁信号解除，外功率开关管的封锁信号必须由两个内功率开关管驱动信号的上升沿共同来解除。
本实施例中，利用上述保护电路实现的方法为外管驱动信号G1或外管驱动信号G4作为D触发器U1的时钟信号，内管驱动信号G2和内管驱动信号G3共同作为D触发器U2的时钟信号，D触发器U1和D触发器U2的数据信号端都保持高电平，当多电平变换器的逆变输出电流超过设定值时，过流信号为高电平，作为D触发器U2的复位信号，使D触发器U2的负输出端输出低电平，D触发器U2的负输出端作为D触发器U1的复位信号，使D触发器U1的正输出端输出低电平外管驱动信号G1与逻辑后共同作为外功率开关管Q1的驱动信号，同样的电路，D触发器U1的正输出端输出低电平外管驱动信号G4与逻辑后可以共同作为外功率开关管Q4的驱动信号，由于与门U4有一个输入端为低电平，所以其输出端一定为低电平，从而实现封锁外功率开关管Q1和外功率开关管Q4，同时，过流信号经过延时、反向(本实施例中，过流信号延时的时间长度为200μs-1000μs，优选值为500μs)后和内管驱动信号G2与逻辑后共同作为内功率开关管Q2的驱动信号，同样的电路，过流信号经过延时、反向后和内管驱动信号G3与逻辑后共同作为内功率开关管Q3的驱动信号，由于与门U6有一个输入端为低电平，所以其输出端一定为低电平，从而实现封锁内功率开关管Q2和内功率开关管Q3；当多电平变换器的逆变输出电流下降到设定值后，过流信号为低电平，过流信号经过延时、反向(本实施例中，过流信号延时的时间长度为200μs-1000μs，优选值为500μs)后输出高电平解除内功率开关管Q2和内功率开关管Q3的封锁信号，由于与门U4有一个输入端为高电平，所以其输出端取决于另一个输入端的电平高低，即此时与门U4的输出信号与输入信号相同，利用内管驱动信号G2驱动内功率开关管Q2，利用内管驱动信号G3驱动内功率开关管Q3，过流信号使D触发器U2的负输出端受内管驱动信号G2和内管驱动信号G3与逻辑后的上升沿控制，当内管驱动信号G2和内管驱动信号G3与逻辑后有上升沿时，D触发器U2的负输出端输出低电平，使D触发器U1的正输出端受外管驱动信号G1或外管驱动信号G4的上升沿控制，当外管驱动信号G1或外管驱动信号G4有上升沿时，解除对外功率开关管Q1和外功率开关管Q4的封锁。
本发明在使用时，G1-G4分别为CPU发出的Q1-Q4的驱动信号，其中G1和G4为外管驱动信号，G2和G3为内管驱动信号。请结合参看附图3，本发明正常工作状态时，在输出电压的正半周，功率开关管Q2一直开通，功率开关管Q4一直关断，功率开关管Q1和功率开关管Q3分别为互补的PWM开关状态，在输出电压的负半周则功率开关管Q1一直关断，功率开关管Q3一直导通，功率开关管Q2和功率开关管Q4分别为互补的PWM开关状态；当过流信号有效时，在D触发器U1和D触发器U2的作用下，外侧功率开关管Q1和外侧功率开关管Q4被关断，对于内侧功率开关管Q2和内侧功率开关管Q3，经过一个延时时间td1后也被封锁，保证了封锁时候内管不会比外管先关闭；当过流信号解除时，内侧功率开关管Q2和内侧功率开关管Q3的封锁被无条件解除，进入正常工作状态，而外侧功率开关管Q1和外侧功率开关管Q4的封锁信号则要由内管驱动信号G2和内管驱动信号G3与逻辑的上升沿来解除，以正半周为例，外侧功率开关管Q1和外侧功率开关管Q4重新开通之前，内侧功率开关管Q2和内侧功率开关管Q3已经开通过，外侧功率开关管Q1的体电容C1和外侧功率开关管Q4的体电容C4均已经被充电至半边母线，这时候再开通外侧功率开关管Q1和外侧功率开关管Q4，也就不会存在内、外侧功率管电压不平衡的问题了。
本发明利用离散元件搭接成简单的控制电路，本发明可以用简洁的电路来避免故障恢复时的功率管不均压问题，使功率管的工作电压可以大大降低，为器件选型和设备安全带来极大的好处。本发明无需对主电路控制进行修改，不需要进行复杂的逻辑判断和编程，仅需要增加低廉的逻辑器件即可，极大地降低了硬件成本。
Claims (9)
1.一种二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法，其特征是：所述的方法为当多电平变换器的逆变输出电流超过设定值时，先封锁外功率开关管，延时时间td1后封锁内功率开关管，保证外功率开关管只承受半边母线应力；当多电平变换器的逆变输出电流下降到设定值后，内功率开关管的封锁信号解除，外功率开关管的封锁信号必须由两个内功率开关管驱动信号的上升沿共同来解除。
2.根据权利要求1所述的二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法，其特征是：所述的过流信号延时td1的时间长度为200μs-1000μs。
3.根据权利要求2所述的二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法，其特征是：所述的过流信号延时td1的时间长度为500μs。
4.根据权利要求1或2或3所述的二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法，其特征是：所述的方法为外管驱动信号G1和外管驱动信号G4的或逻辑作为D触发器U1的时钟信号，内管驱动信号G2和内管驱动信号G3的与逻辑作为D触发器U2的时钟信号，D触发器U1和D触发器U2的数据信号端都保持高电平，当多电平变换器的逆变输出电流超过设定值时，过流信号为高电平，作为D触发器U2的复位信号，使D触发器U2的负输出端输出高电平，D触发器U2的负输出端作为D触发器U1的复位信号，使D触发器U1的正输出端输出低电平，D触发器U1的正输出端与外管驱动信号G1或外管驱动信号G4与逻辑后共同作为外功率开关管Q1或外功率开关管Q4的驱动信号，D触发器U1的正输出端低电平时封锁外功率开关管Q1和外功率开关管Q4，同时，过流信号经过延时、反向后分别与内管驱动信号G2或内管驱动信号G3与逻辑后共同作为内功率开关管Q2或内功率开关管Q3的驱动信号，封锁内功率开关管Q2和内功率开关管Q3；当多电平变换器的逆变输出电流下降到设定值后，过流信号为低电平，过流信号经过延时、反向后输出高电平解除内功率开关管Q2和内功率开关管Q3的封锁信号，过流信号使D触发器U2的负输出端受内管驱动信号G2和内管驱动信号G3与逻辑后的上升沿控制，当内管驱动信号G2和内管驱动信号G3与逻辑后有上升沿时，D触发器U2的负输出端输出低电平，使D触发器U1的正输出端受外管驱动信号G1或外管驱动信号G4的上升沿控制，当外管驱动信号G1或外管驱动信号G4有上升沿时，解除对外功率开关管Q1和外功率开关管Q4的封锁。
5.一种实现如权利要求1所述的保护方法的电路，其特征是：所述的电路包括内管保护电路和外管保护电路，每组外管保护电路包括一组D触发器U1和一个D触发器U2，外管驱动信号G1和外管驱动信号G4分别输入或门U3的两个输入端，或门U3的输出端连接至D触发器U1的时钟信号输入端，内管驱动信号G2或内管驱动信号G3分别输入与门U5的两个输入端，与门U5的输出端连接至D触发器U2的时钟信号输入端，过流信号连接至D触发器U2的复位信号输入端，D触发器U2的负输出端与D触发器U1的复位信号输入端连接，D触发器U1和D触发器U2的数据信号端接高电平，D触发器U1的正输出端和外管驱动信号G1或外管驱动信号G4分别输入与门U4的两个输入端，与门U4的输出端作为外功率开关管Q1或外功率开关管Q4的驱动信号；每组内管保护电路包括延时反向电路U7和与门U6，过流信号经过延时反向电路U7后和内管驱动信号G2或内管驱动信号G3分别输入与门U6的两个输入端，与门U6的输出端作为内功率开关管Q2或内功率开关管Q3的驱动信号。
6.根据权利要求3所述的电路，其特征是：当与门U4的两个输入端分别连接D触发器U1的正输出端和外管驱动信号G1时，与门U4的输出端作为外功率开关管Q1的驱动信号；当与门U4的两个输入端分别连接D触发器U1的正输出端和外管驱动信号G4时，与门U4的输出端作为外功率开关管Q4的驱动信号。
7.根据权利要求3所述的电路，其特征是：当与门U6的两个输入端分别连接延时反向电路U7的输出端和内管驱动信号G2时，与门U6的输出端作为内功率开关管Q2的驱动信号；当与门U6的两个输入端分别连接延时反向电路U7的输出端和内管驱动信号G3时，与门U6的输出端作为内功率开关管Q3的驱动信号。
8.根据权利要求3所述的电路，其特征是：所述的与门U6为与门芯片，延时反向电路U7为延时时间为200μs-1000μs的延时反向电路。
9.根据权利要求3所述的电路，其特征是：所述的延时反向电路U7为延时时间为500μs的延时反向电路。
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