CN103516244A - 多级电力变换电路的保护控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于将DC功率转换为AC功率或将AC功率转换为DC功率的快速电容器类型的多级电力变换电路的保护控制系统。该电力变换电路包括：六个半导体开关，从第一到第六半导体开关从DC电源的正端子顺序串联连接至负端子；第一电容器C1，连接在第二和第三半导体开关的连接点和第四和四五半导体开关的连接点之间；和第二电容器C2，连接在第一和第二半导体开关的连接点和第五和六半导体开关的连接点之间；其中在第三半导体开关短路故障的情况下，本发明的保护控制系统导通第二半导体开关或将第二半导体开关维持在导通状态。当第二电容器C2的电压值已经减少至预定电压值时，该第二半导体开关被中断。

Description

多级电力变换电路的保护控制系统
相关申请的交叉引用
本申请基于2012年6月14日提交的日本专利申请No.2012-134361并要求其优先权，该申请的内容通过引用结合于此。
背景技术
1.发明领域
本发明涉及用于AC电机驱动和其他应用的快速电容器类型的多级电力变换电路的保护控制系统。
2.背景技术
图4示出常规类型的用于将DC功率转换为AC功率的电力变换电路。DC电源DP在正电位端子P和负电位端子N之间传递电压Ed。该DC电源一般可包括使用整流器的AC电源系统和具有较大电容的电容器，尽管AC电源系统的这些组件未被图示在附图中。
该电力变换电路包括各自包括IGBT和二极管的半导体开关Q1到Q6、用于驱动IGBT的栅驱动电路GD1到GD6、和控制器CNT。这个电力转换电路上的负载的示例是AC电机ACM。根据控制器CNT的开/关命令，通过栅驱动电路GD1到GD6来控制导通/截止半导体开关Q1到Q6。通过IGBT的开关操作，这个构造的电力变换电路可将DC电源DP的电位P或N的输出电压传递至AC输出端子。因此，这个变换器是二级电力变换电路。
图5示出快速电容器类型的四级电力变换电路。这个电路包括：作为IGBT的六个半导体开关T1到T6，其串联连接在DC电源DP的正电位端子P和负电位端子N之间、连接在IGBT T3的集电极和IGBT T4的发射极之间的电容器C1、和连接在IGBT T2的集电极和IGBT T5的发射极之间的电容器C2。电容器C1和C2被称为快速电容器。电容器C1和C2两端的电压各自被控制为平均是1/3Ed和2/3Ed，其中Ed是DC电源DP的输出电压。IGBT T3的发射极和IGBT T4的集电极之间的连接点是这个电路构造中的AC输出端子。这个电路是四级电力变换电路，去提供下述给出的四级电位。
模式（1）  当T1、T2、和T3导通时，Ed
模式（2）  当T1、T2、和T4导通时，Ed-1/3Ed
模式（3）  当T1、T5、和T4导通时，Ed-2/3Ed
模式（4）  当T6、T2、和T3导通时，0+2/3Ed
模式（5）  当T6、T5、和T3导通时，0+1/3Ed
模式（6）  当T6、T5、和T4导通时，0
模式（2）和（4）给出相等的电压，且模式（3）和（5）也给出相等的电压。但是电容器C1和C2经受充电或放电动作。因此，选择性地控制输出时间允许电容器C1和C2两端的电压各自平均地被保持在1/3Ed和2/3Ed。
在稳定状态中，每一个IGBT经受Ed/3的电压。考虑在开关动作中的瞬变现象中出现的浪涌电压，IGBT的继而所需要的耐受电压应该约为2/3Ed，这是稳定状态值的两倍。
图6示出快速电容器类型的五级电力变换电路，这是图5的电路的先进形式。将电容器C1两端的电压控制在Ed/4、电容器C2两端的电压控制在Ed/2，且电容器C3两端的电压控制在3Ed/4，电力变换电路在AC输出端子给出五级电位：Ed、3Ed/4、Ed/2、Ed/4、和0(零)。
图7是六级电力变换电路。将电容器C1两端的电压控制在Ed/5、电容器C2两端的电压控制在2Ed/5，电容器C3两端的电压控制在3Ed/5、且电容器C4两端的电压控制在4Ed/5，电力变换电路在AC输出端子给出六级电位：Ed、4Ed/5、3Ed/5、2Ed/5、Ed/5、和0(零)。
图8示出用快速电容器类型变换电路与中性点钳制类型（NPC类型）变换电路混合来构成的电力变换电路。除了图5中所示的快速电容器类型的四级电力变换电路外，这个电力变换电路包括，与电容器C2并联的一对串联的IGBTT7和T8、和包括一对反并联连接的反向阻断IGBT T9和T10的双向开关，该双向开关被连接在IGBT T7和T8的串联连接点和DC电源DP1和DC电源DP2的串联连接点之间。图8的电力变换电路是七级电力变换电路。上述电力变换电路的示例被公开在下列专利文献1和非专利文献1中。
[专利文献1]
PCT国际申请No.2009-525717
[非专利文献1]
日本电气工程师协会技术报告，No.1,093(日语)，尤其是图2.2和2.3。
当构成电力变换电路的半导体开关由于某种理由崩溃时，经常发生短路状态。图9示出在两级逆变器电路中，在短路故障中运行的短路电路电流。当在图9的电路中的IGBT T2中发生短路故障且然后给IGBT T1导通命令时，DC短路电流Ist在图中虚线所示的路径中流动。如果这个状态继续达特定时间段，IGBT T1也崩溃导致完全的DC短路状态，增加了电力变换系统的损坏。为了避免这样的情况，每一个IGBT的栅驱动电路GD一般被设置有臂短路检测电路，和短路保护电路，一旦检测到短路事件就强制性关断IGBT。
图10示出这样的栅驱动电路。该栅驱动电路通过光电耦合器PC1经电绝缘给出用于IGBT T0的栅极-发射极电压的导通/截止信号。当通过光电耦合器PC1给出导通信号时，晶体管Qa导通且正侧电源Ep执行正向偏压，该正向偏压通过电阻器RG驱动IGBT T0的栅极-发射极电压。因此，IGBT T0被导通。当通过光电耦合器PC1给出截止信号时，晶体管Qb导通且负侧电源En执行反向偏压，该反向偏压通过电阻器RG驱动IGBT T0的栅极-发射极电压。因此，IGBT T0被截止。在过电流的情况下强制关断IGBT T0的短路保护电路包括二极管Dc、电阻器R1、电容器Cd、齐纳二极管ZD、晶体管Qc、和二极管Dd。如果在导通信号的时间段中过电流流过IGBT T0，IGBT T0的集电极-发射极电压上升，导致二极管Dc的非导通状态。因此，晶体管Qc导通且然后晶体管Qb导通来强制关断IGBT T0。光电耦合器PC2是将过电流关断事件的信息反馈回控制电路的短路检测电路。
尽管图9的示例是两电平电路，也类似地操作图5中所示的多级电路。当IGBT T3（或T4）经受短路故障时，如果另一个正常IGBT T4（或T3）导通，电容器C1变得短路。因此，用IGBT T4（或T3）的栅驱动电路来强制截止IGBT T4（或T3）。当IGBT T2（或T5）经受短路故障时，如果另一个正常IGBT T5（或T2）导通，电容器C1和C2变得短路。因此，用IGBT T5（或T2）的栅驱动电路来强制截止IGBT T5（或T2）。当IGBT T1（或T6）经受短路故障时，如果另一个正常IGBT T6（或T1）导通，电容器C2和电源DP变得短路。因此，用IGBT T6（或T1）的栅驱动电路来强制截止IGBT T6（或T1）。类似地操作图6和图7的电路。
现在，更接近地考虑图5的电路中的IGBT T3的短路故障的操作。参看图11，首先是来自DC电源DP的电流经过路径IGBT T1→T2→T3到负载的状态(a)，该状态转移至其中IGBT T3是短路的状态(b)。当在这个状态(b)中给予IGBT T4导通信号时，短路电流Ist如虚线所示地流过。在这个状态中，IGBT T4的栅驱动电路检测短路事件并强制关断IGBT T4。此时，短路故障检测信号通过图10中的光电耦合器PC2传输到控制设备，这将关断信号传递至每一个IGBT。作为结果，流过负载的电流在图11的状态(c)中通过该路径：IGBTT6的二极管→IGBT T5的二极管→电容器C1→IGBT T3。由于IGBT T3此时处于短路状态中，电流流过电容器C1且电容器C1继续放电直到电容器C1两端的电压VC1减少至零伏，此时IGBT T4的二极管转至导通状态。因此，电流在图11的状态(d)中所示的路径中流动。在这个状态，电容器C2两端的电压VC2约为2Ed/3，且所以IGBT T2经受电压VT2=VC2≒2Ed/3。
图12示出在IGBT T4的故障情况下的操作，这基本类似于图11中所示的。参看图12，首先是其中来自负载的电流经过路径IGBT T4→T5→T6的状态(a)，该状态转移至其中IGBT T4是短路的状态(b)。当在这个状态(b)中给予IGBT T3导通信号时，短路电流Ist如虚线所示地流过。在这个状态中，IGBTT3的栅驱动电路检测短路事件并强制关断IGBT T3。此时，短路故障信号通过图10中的光电耦合器PC2传输到控制设备，控制设备将关断信号传递至每一个IGBT。作为结果，流过负载的电流在图12的状态(c)中通过该路径：IGBTT4→电容器C1→IGBT T2的二极管→IGBT T1的二极管。由于IGBT T4此时处于短路状态中，电流流过电容器C1且电容器C1继续放电直到电容器C1两端的电压VC1减少至零伏，此时IGBT T3的二极管转至导通状态。因此，电流在图12的状态(d)中所示的路径中流动。在这个状态，电容器C2两端的电压VC2约为2Ed/3，且所以IGBT T5经受电压VT5=VC2≒2Ed/3。
在这些情况下，在T3故障时IGBT T2需要至少2Ed/3的耐受电压，且T4故障时IGBT T5需要至少2Ed/3的耐受电压。
实际上，这些IGBT需要约Ed（这是DC电源DP的电压）的耐受电压。在稍前所述的正常操作的状态中，这些IGBT仅需要约2Ed/3，这是稳定经受的电压的两倍。然而，如上所述，IGBT要求展现高于该值的耐受电压。这导致增大的尺寸和增加的成本。
发明内容
因此本发明的目的是提供这样的多级电力变换电路的保护控制系统，当IGBT意外短路时，在不需非必要地增加IGBT的耐受电压的情况下将正常操作的IGBT经受的电压抑制为较低，藉此提供具有减少的尺寸且低成本的系统。
为了实现上述目的，本发明的第一方面的多级电力变换电路的保护控制系统是用于将DC功率转换为AC功率或将AC功率转换为DC功率的快速电容器类型的多级电力变换电路的保护控制系统，该电力变换电路的其中一相部分包括：六个半导体开关，包括从DC电源电路的正端子到负端子依序串联的第一到第六半导体开关，每一个半导体开关具有反并联连接的二极管；栅驱动电路，具有连接至每一个半导体开关的栅极的臂短路保护电路；第一电容器，连接在第二和第三半导体开关的连接点和第四和四五半导体开关的连接点之间；第二电容器，连接在第一和第二半导体开关的连接点和第五和六半导体开关的连接点之间；和在第三和第四半导体开关的连接点处的AC端子；其中在第三半导体开关发生了短路故障的情况下，该保护控制系统使第二半导体开关导通或将第二半导体开关维持在导通状态。
本发明的第二方面的多级电力变换电路的保护控制系统是用于将DC功率转换为AC功率或将AC功率转换为DC功率的快速电容器类型的多级电力变换电路的保护控制系统，该电力变换电路的其中一相部分包括：六个半导体开关，包括从DC电源电路的正端子至负端子依序串联的第一到第六半导体开关，每一个半导体开关具有反并联连接的二极管；栅驱动电路，具有连接至每一个半导体开关的栅极端子的臂短路保护电路；第一电容器，连接在第二和第三半导体开关的连接点和第四和四五半导体开关的连接点之间；第二电容器，连接在第一和第二半导体开关的连接点和第五和六半导体开关的连接点之间；和在第三和第四半导体开关的连接点处的AC端子；其中在第四半导体开关发生了短路故障的情况下，该保护控制系统使第五半导体开关导通或将第五半导体开关维持在导通状态。
根据本发明的第三方面的多级电力变换电路的保护控制系统是根据本发明的第一或第二方面的多级电力变换电路的保护控制系统，其中当第二或第五半导体开关已被导通后第二电容器两端的电压减少至预定电压值时，第二或第五半导体开关被截止。
根据本发明的第四方面的多级电力变换电路的保护控制系统是根据本发明的第三方面的多级电力变换电路的保护控制系统，其中预定电压值约是DC电源的电压值的50%。
根据本发明的第五方面的多级电力变换电路的保护控制系统是根据本发明的第三方面的多级电力变换电路的保护控制系统，其中该多级电力变换电路是与附加地设置的中性点钳位电路相结合的快速电容器类型的多级电力变换电路，该中性点钳位电路包括用于将第二电容器的电位钳制在DC电源的中性点电位处，且预定电压值是DC电源的电压值的约1/6。
本发明的第六方面的多级电力变换电路的保护控制系统是用于将DC功率转换为AC功率或将AC功率转换为DC功率的快速电容器类型的五电平或更多级的电力变换电路的保护控制系统，该电力变换电路的其中一相部分包括：2N个半导体开关，N是四或更大的整数，从DC电源电路的正端子至负端子依序串联，每一个半导体开关具有反并联连接的二极管；栅驱动电路，具有连接至每一个半导体开关的栅极端子的臂短路保护电路；和连接在第(N-I+1)个和第(N-I)个半导体开关的连接点和第(N+I)个和第(N+I+1)个半导体开关的连接点之间的（N-1）个电容器，I是从1到(N-1)的整数；其中当第J个半导体开关，J是从3到(2N-2)的整数，变为处于短路故障状态中时，短路电流由正常操作的半导体开关中断，其中流过所述处于短路故障状态中的半导体开关的短路电流在所述正常操作的半导体开关中流动，且如果J≤N则所述保护控制系统将第(J-1)个半导体开关导通或将其维持在导通状态，或者如果J≥(N+1)则所述保护控制系统将第(J+1)个半导体开关导通或将其维持在导通状态，然后当在第(J+1)个电容器两端的电压减少至预定电压值时该第(J+1)个电容器被截止。
根据本发明的第七方面的多级电力变换电路的保护控制系统是根据本发明的第六方面的多级电力变换电路的保护控制系统，其中预定电压值约是第(J-1)个电容器达到的最终电压和第(J+2)个电容器的电压值之间的中间电压值。
根据本发明的第七方面的多级电力变换电路的保护控制系统是根据本发明的第六方面的多级电力变换电路的保护控制系统，其中多级电力变换电路是与附加设置的中性点钳位电路相结合的快速电容器类型的多级电力变换电路，所述中性点钳位电路包括用于将（N-1）个电容器中的一个的电位钳制在所述DC电源的中性点电位处的半导体开关，且所述预定电压值大约是处于正常操作状态中的第(J-2)个电容器的平均电压值。
在本发明的快速电容器类型的多级电力变换电路的保护控制系统中，在半导体开关的短路故障情况下，来自快速电容器的放电电流流过的另一个半导体开关由栅驱动电路的短路保护电路所关断，且连接至该快速电容器并部署在电源侧中的又一个半导体开关被导通或维持在导通状态。当相对于这个处于导通状态的半导体开关的连接在电源侧中的另一个快速电容器两端的电压被减少至预定值时，该处于导通状态的半导体开关被截止。
因此，即使当IGBT意外变得短路时提供这样的用于多级电力变换电路的保护控制系统，IGBT的耐受电压不需要非必要地变得很高。因此，提供了具有减少尺寸且低成本的系统。
附图说明
图1示出根据本发明实施例的保护操作算法的示例；
图2示出在IGBT T3短路故障的情况下保护操作模式的示例；
图3示出在IGBT T4短路故障的情况下保护操作模式的示例；
图4示出一般的逆变器系统；
图5示出快速电容器类型的四级电力变换电路；
图6示出快速电容器类型的五级电力变换电路；
图7示出快速电容器类型的六级电力变换电路；
图8示出与中性点钳位电路相结合的快速电容器类型的七级电力变换电路；
图9示出臂短路事件中的操作；
图10示出具有臂短路检测电路和保护电路的栅驱动电路；
图11示出根据常规系统的臂短路保护中的第一操作模式；和
图12示出根据常规系统的臂短路保护中的第二操作模式。
具体实施方式
本发明的要点如下。在快速电容器类型的多级电力变换电路的保护控制系统中，在半导体开关的短路故障情况下，来自快速电容器的放电电流流过的另一个半导体开关由栅驱动电路的短路保护电路所关断，且连接至该快速电容器并部署在电源侧中的又一个半导体开关被导通或维持在导通状态。当相对于这个处于导通状态的半导体开关的连接在电源侧中的另一个快速电容器两端的电压被减少至预定值时，处于导通状态的该半导体开关被截止。
[实施例示例1]
下文描述了根据本发明的实施例的快速电容器类型的四级电力变换电路的保护控制系统。图1示出在臂短路事件中由正常操作状态关断主电路的操作的流程；图2示出在IGBT T3短路故障的情况下保护操作的流程；且图3示出在IGBT T4短路故障的情况下保护操作的流程。
参看图1，当在框28中短路故障发生在IGBT T3且用IGBT T4检测到臂短路时，在框29中截止IGBT T1、T5、和T6。在框30和31中，IGBT T2被导通，或如果已经处于导通状态，则被保持导通。在框32和33中，当电容器C2两端的电压VC2减少到预定电压值时，IGBT T2被截止。
类似地，当在框34中短路故障发生在IGBT T4且用IGBT T3检测到臂短路时，在框35中截止IGBT T1、T2、和T6。在框36和37中，IGBT T5被导通，或如果已经处于导通状态，则被保持导通。在框38和39中，当电容器C2两端的电压VC2减少到预定电压值时，IGBT T5被截止。
期望的是将电容器C2两端的电压VC2的预定电压值设置为约是DC电源DP的电压Ed的一半。此处省略了有关于电容器C2两端的电压检测的已知电路的解释。
连接在故障的开关元件外部、或连接在面向故障的开关元件的DC电源端子一侧内的电容器C1两端的电压VC1是零伏。且使得连接在这个电容器C1之外的电容器C2两端的电压VC2，达到DC电源DP的电压Ed和电容器C1的最终电压零伏之间一半的电压。因此，开关元件T1、T2、T5、和T6所经受的最大电压被限制为正常值Ed/3的一倍半。在如上所述的常规系统中，IGBT经受2Ed/3的电压，这是常规值的两倍。因此，在本发明的实施例的系统中的半导体元件可以具有较小尺寸和较低成本。
上述操作是在图5中所示的快速电容器类型的四级电力变换电路的实施例或图8中所示的组合中性点钳位电路的快速电容器类型的七级电力变换电路的实施例中的操作。然而，本发明的保护控制系统可被应用于如图6和7中所示的多于四个级的快速电容器类型的多级电力变换电路，如下所述。
[实施例示例2]
实施例示例2是图6中所示的快速电容器类型的五级电力变换电路的实施例。实施例示例2是在具有2N个半导体开关的电路的下述一般表达式中N=4的情况。串联在DC电源的正端子和负端子之间的2N个半导体开关中，从正端子或负端子起算的第三半导体开关被认为是短路的，或者位于该第三半导体的中间连接点一侧的半导体开关被认为是短路的。通过短路故障半导体开关的短路电流流过正常运行的半导体开关，且该短路电路由这个正常操作的半导体开关所中断。正好部署在故障半导体开关外侧的半导体开关被导通。此处的外侧意味着面向DC电源的正端子或面向负端子的那侧。当连接在处于导通状态的半导体外侧的电容器两端的电压减少至预定电压值时，该处于导通状态的半导体开关被截止。
在这个实施例示例2中，所关注的变成断路故障状态的半导体开关是IGBT T4、T5、T3、和T6。下文描述了在这四个IGBT的其中一个短路的情况下，电容器电压的操作和设置。
（1）IGBT T4的短路故障的情况
由IGBT T5检测到短路故障。除了IGBT T3外的其他IGBT被截止。当电容器C2两端的电压VC2变为电容器C3两端电压VC3的约一半，即3Ed/8时，IGBT T3被截止。
（2）IGBT T5的短路故障的情况
由IGBT T4检测到短路故障。除了IGBT T6外的其他IGBT被截止。当电容器C2两端的电压VC2变为电容器C3两端电压VC3的约一半，即3Ed/8时，IGBT T6被截止。
（3）IGBT T3的短路故障的情况
由IGBT T6检测到短路故障。除了IGBT T2外的其他IGBT被截止。当电容器C3两端的电压VC3变为DC电源电压Ed和电容器C1两端的电压VC1之和的约一半，即5Ed/8时，IGBT T2被截止。
（4）IGBT T6的短路故障的情况
由IGBT T3检测到短路故障。除了IGBT T7外的其他IGBT被截止。当电容器C3两端的电压VC3变为DC电源电压Ed和电容器C1两端的电压VC1之和的约一半，即5Ed/8时，IGBT T7被截止。通过如上所述地进行控制，IGBT所经受的最大电压为3Ed/8。
[实施例示例3]
实施例示例3是图7中所示的快速电容器类型的六级电力变换电路的实施例。实施例示例3是在具有2N个半导体开关的电路的下述一般表达式中N=5的情况。串联在DC电源的正端子和负端子之间的2N个半导体开关中，从正端子或负端子起算的第三半导体开关被认为是短路的，或者位于该第三半导体的中间连接点一侧的半导体开关被认为是短路的。通过短路故障半导体开关的短路电流流过正常运行的半导体开关，且该短路电路由这个正常操作的半导体开关所中断。正好部署在故障半导体开关外侧的半导体开关被导通。此处的外侧意味着面向DC电源的正端子或面向负端子的那侧。当连接在处于导通状态的半导体外侧的电容器两端的电压减少至预定电压值时，该处于导通状态的半导体开关被截止。
在这个实施例示例3中，可变成断路故障状态的半导体开关是IGBT T5、T6、T4、T7、T3和T8。下文描述了在这四个IGBT的其中一个的短路故障的情况下，电容器电压的操作和设置。
（1）IGBT T5的短路故障的情况
由IGBT T6检测到短路故障。除了IGBT T4外的其他IGBT被截止。当电容器C2两端的电压VC2变为电容器C3两端电压VC3的约一半，即3Ed/10时，IGBT T4被截止。
（2）IGBT T6的短路故障的情况
由IGBT T5检测到短路故障。除了IGBT T7外的其他IGBT被截止。当电容器C2两端的电压VC2变为电容器C3两端电压VC3的约一半，即3Ed/10时，IGBT T7被截止。
（3）IGBT T4的短路故障的情况
由IGBT T7检测到短路故障。除了IGBT T3外的其他IGBT被截止。当电容器C3两端的电压VC3变为电容器C4两端的电压VC4和电容器C1两端的电压VC1之和的约一半，即Ed/2时，IGBT T3被截止。
（4）IGBT T7的短路故障的情况
由IGBT T4检测到短路故障。除了IGBT T8外的其他IGBT被截止。当电容器C3两端的电压VC3变为电容器C4两端的电压VC4和电容器C1两端的电压VC1之和的约一半，即Ed/2时，IGBT T8被截止。
（5）IGBT T3的短路故障的情况
由IGBT T8检测到短路故障。除了IGBT T2外的其他IGBT被截止。当电容器C4两端的电压VC4变为DC电源电压Ed和电容器C2两端的电压VC2之和的约一半，即7Ed/10时，IGBT T2被截止。
（6）IGBT T8的短路故障的情况
由IGBT T3检测到短路故障。除了IGBT T9外的其他IGBT被截止。当电容器C4两端的电压VC4变为DC电源电压Ed和电容器C2两端的电压VC2之和的约一半，即3Ed/10时，IGBT T9被截止。
以类似方式，可将本发明的保护控制系统应用于除了三级电路之外的快速电容器类型的所有多级电路变换电路。可将半导体开关所经受的最大电压限制在稳定状态中平均电压的一倍半内。
本发明被应用于用于从较少数量的DC电源获得多级AC电压的电力逆变器电路，还可被用于执行反向电力变换的整流电路。实际应用包括高压电机驱动装置和用于栅格连接的电力转换装置。
[附图标记说明]
DP,DP1,DP2:DC电源
Q1到Q6、T0到T10：IGBT
GD,GD1到GD6：栅极驱动电路
ACM：AC电机
CNT：控制器
C1到C4：作为快速电容器的电容器
PC1,PC2：光电耦合器
R1,R2,RG：电阻器
Qa,Qb,Qc：晶体管
Dc,Dd：二极管
ZD：齐纳二极管
Cd:电容器
Ep,En：驱动电路的电源

Claims (8)

1.一种用于将DC功率转换为AC功率或将AC功率转换为DC功率的快速电容器类型的多级电力变换电路的保护控制系统，所述电力变换电路的其中一相部分包括：
六个半导体开关，包括从DC电源电路的正端子到负端子依序串联的第一到第六半导体开关，每一个半导体开关具有反并联连接的二极管；
栅驱动电路，具有连接至每一个半导体开关的栅极端子的臂短路保护电路；
第一电容器，连接在所述第二和第三半导体开关的连接点和所述第四和第五半导体开关的连接点之间；
第二电容器，连接在所述第一和第二半导体开关的连接点和所述第五和六半导体开关的连接点之间；和
在所述第三和第四半导体开关的连接点处的AC端子；
其中在所述第三半导体开关发生了短路故障的情况下，所述保护控制系统使所述第二半导体开关导通或将所述第二半导体开关维持在导通状态。
2.一种用于将DC功率转换为AC功率或将AC功率转换为DC功率的快速电容器类型的多级电力变换电路的保护控制系统，所述电力变换电路的其中一相部分包括：
六个半导体开关，包括从DC电源电路的正端子至负端子依序串联的第一到第六半导体开关，每一个半导体开关具有反并联连接的二极管；
栅驱动电路，具有连接至每一个半导体开关的栅极端子的臂短路保护电路；
第一电容器，连接在所述第二和第三半导体开关的连接点和所述第四和四五半导体开关的连接点之间；
第二电容器，连接在所述第一和第二半导体开关的连接点和所述第五和六半导体开关的连接点之间；和
在所述第三和第四半导体开关的连接点处的AC端子；
其中在所述第四半导体开关发生了短路故障的情况下，所述保护控制系统使所述第五半导体开关导通或将所述第五半导体开关维持在导通状态。
3.如权利要求1或权利要求2所述的多级电力变换电路的保护控制系统，其特征在于，当在所述第二或第五半导体开关已被导通后所述第二电容器两端的电压减少至预定电压值时，所述第二或第五半导体开关被截止。
4.如权利要求3所述的多级电力变换电路的保护控制系统，其特征在于，所述预定电压值约是所述DC电源的电压值的50%。
5.如权利要求3所述的多级电力变换电路的保护控制系统，其特征在于，所述多级电力变换电路是与附加设置的中性点钳位电路相结合的快速电容器类型的多级电力变换电路，所述中性点钳位电路包括用于将所述第二电容器的电位钳制在所述DC电源的中性点电位处的半导体开关，且所述预定电压值是所述DC电源的电压值的约1/6。
6.一种用于将DC功率转换为AC功率或将AC功率转换为DC功率的快速电容器类型的五级或更多级的电力变换电路的保护控制系统，所述电力变换电路的其中一相部分包括：
2N个半导体开关，N是四或更大的整数，从DC电源电路的正端子至负端子依序串联，每一个半导体开关具有反并联连接的二极管；
栅驱动电路，具有连接至每一个半导体开关的栅极端子的臂短路保护电路；和
连接在第(N-I+1)个和第(N-I)个半导体开关的连接点和第(N+I)个和第(N+I+1)个半导体开关的连接点之间的（N-1）个电容器，I是从1到(N-1)的整数；
其中当第J个半导体开关，J是从3到(2N-2)的整数，变为处于短路故障状态中时，短路电流由正常操作的半导体开关中断，其中流过所述处于短路故障状态中的半导体开关的短路电流在所述正常操作的半导体开关中流动，且如果J≤N则所述保护控制系统将第(J-1)个半导体开关导通或将其维持在导通状态，或者如果J≥(N+1)则所述保护控制系统将第(J+1)个半导体开关导通或将其维持在导通状态，然后当在该第(J+1)个电容器两端的电压减少至预定电压值时该第(J+1)个电容器被截止。
7.如权利要求6所述的多级电力变换电路的保护控制系统，其特征在于，所述预定电压值约是第(J-1)个电容器达到的最终电压和第(J+2)个电容器的电压值之间的中间电压值。
8.如权利要求6所述的多级电力变换电路的保护控制系统，其特征在于，所述多级电力变换电路是与附加设置的中性点钳位电路相结合的快速电容器类型的多级电力变换电路，所述中性点钳位电路包括用于将（N-1）个电容器中的一个的电位钳制在所述DC电源的中性点电位处的半导体开关，且所述预定电压值大约是处于正常操作状态中的第(J-2)个电容器的平均电压值。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106469980A (zh) * 2015-08-19 2017-03-01 富士电机株式会社 直流－直流转换装置
CN107171533A (zh) * 2016-03-07 2017-09-15 精工半导体有限公司 开关调节器
CN113841330A (zh) * 2019-05-21 2021-12-24 松下知识产权经营株式会社 功率转换装置

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9246407B2 (en) * 2013-03-29 2016-01-26 General Electric Company Voltage balancing system and method for multilevel converters
KR20150002317A (ko) * 2013-06-28 2015-01-07 삼성전기주식회사 전원 공급 장치
JP6206118B2 (ja) * 2013-08-02 2017-10-04 株式会社明電舎 マルチレベル電力変換装置
CN104811073B (zh) * 2014-01-24 2019-05-31 通用电气能源电能变换科技有限公司 变换器模块、装置、系统和相关方法
JP6176495B2 (ja) * 2014-08-19 2017-08-09 富士電機株式会社 ３レベルインバータの制御方法及び制御装置
EP3002866B1 (de) * 2014-09-30 2021-09-08 Siemens Aktiengesellschaft Spannungszwischenkreis-Stromrichter in Fünfpunkttopologie
JP6286801B2 (ja) * 2014-11-12 2018-03-07 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電力変換装置
JP6286802B2 (ja) * 2014-12-05 2018-03-07 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電力変換装置
US9300210B1 (en) * 2015-03-02 2016-03-29 Empower Semiconductor Resonant rectified discontinuous switching regulator
US9780663B2 (en) 2015-03-02 2017-10-03 Empower Semiconductor, Inc. Resonant rectified discontinuous switching regulator with inductor preflux
US9748841B2 (en) * 2015-05-05 2017-08-29 Texas Instruments Incorporated Multilevel boost DC to DC converter circuit
EP3396839B1 (en) * 2017-04-28 2021-12-15 Infineon Technologies AG Semiconductor arrangement with controllable semiconductor elements
AU2018344692B2 (en) * 2017-10-06 2021-05-20 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Power Converter
JP7008495B2 (ja) * 2017-12-19 2022-01-25 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電力変換装置
JP7008494B2 (ja) * 2017-12-19 2022-01-25 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電力変換装置
US10404175B2 (en) * 2017-12-29 2019-09-03 Texas Instruments Incorporated Converter topology with adaptive power path architecture
JP7154907B2 (ja) 2018-09-14 2022-10-18 株式会社東芝 半導体モジュール
CN110649831B (zh) * 2019-05-10 2021-04-13 阳光电源股份有限公司 多电平逆变电路的关机封波控制方法及其应用装置
AU2019454275A1 (en) * 2019-06-24 2022-02-03 Ge Grid Solutions Llc Short-circuit protection systems and methods for flying capacitor based buck-boost converters
JP7306249B2 (ja) * 2019-12-10 2023-07-11 株式会社明電舎 マルチレベル電力変換器の制御装置
CN113556029B (zh) * 2020-04-23 2023-02-28 台达电子企业管理（上海）有限公司 飞跨电容多电平端口失压保护电路
CN113839576B (zh) * 2021-08-06 2023-12-15 华为技术有限公司 驱动控制系统及方法
CN114244167B (zh) * 2021-12-22 2023-10-31 阳光电源股份有限公司 一种多电平拓扑及其故障保护控制方法、新能源发电系统
CN115395784A (zh) * 2022-09-13 2022-11-25 江苏科曜能源科技有限公司 一种单相双极性七电平变换器及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005137045A (ja) * 2003-10-28 2005-05-26 Fuji Electric Holdings Co Ltd 多レベル出力電力変換装置
JP2007185064A (ja) * 2006-01-10 2007-07-19 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp 多レベル電力変換装置
JP2011030350A (ja) * 2009-07-24 2011-02-10 Fuji Electric Systems Co Ltd 電力変換装置
CN102055364A (zh) * 2009-11-10 2011-05-11 通用电气公司 三电平转换器的操作
CN102427304A (zh) * 2011-10-17 2012-04-25 阳光电源股份有限公司 一种单相半桥五电平逆变器及其应用电路

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1980013B1 (de) 2006-02-01 2010-02-24 ABB Research Ltd Schaltzelle sowie umrichterschaltung zur schaltung einer vielzahl von spannungsniveaus
JP5532192B2 (ja) * 2008-01-24 2014-06-25 独立行政法人産業技術総合研究所 電力変換装置
JP5359637B2 (ja) * 2009-07-17 2013-12-04 富士電機株式会社 電力変換装置
JP2012029429A (ja) * 2010-07-22 2012-02-09 Fuji Electric Co Ltd ３レベル電力変換装置
JP2012134361A (ja) 2010-12-22 2012-07-12 Renesas Electronics Corp スピン塗布装置
EP2487786A3 (en) 2011-02-08 2015-06-03 Fuji Electric Co., Ltd. Five-level power conversion device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005137045A (ja) * 2003-10-28 2005-05-26 Fuji Electric Holdings Co Ltd 多レベル出力電力変換装置
JP2007185064A (ja) * 2006-01-10 2007-07-19 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp 多レベル電力変換装置
JP2011030350A (ja) * 2009-07-24 2011-02-10 Fuji Electric Systems Co Ltd 電力変換装置
CN102055364A (zh) * 2009-11-10 2011-05-11 通用电气公司 三电平转换器的操作
CN102427304A (zh) * 2011-10-17 2012-04-25 阳光电源股份有限公司 一种单相半桥五电平逆变器及其应用电路

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106469980A (zh) * 2015-08-19 2017-03-01 富士电机株式会社 直流－直流转换装置
CN107171533A (zh) * 2016-03-07 2017-09-15 精工半导体有限公司 开关调节器
CN107171533B (zh) * 2016-03-07 2020-03-27 艾普凌科有限公司 开关调节器
CN113841330A (zh) * 2019-05-21 2021-12-24 松下知识产权经营株式会社 功率转换装置

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JP2013258862A (ja) 2013-12-26
CN103516244B (zh) 2017-09-08
US9136695B2 (en) 2015-09-15
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JP6040582B2 (ja) 2016-12-07
DE102013009435A1 (de) 2013-12-19

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