CN104518699B - 一种三电平逆变器的限流控制方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电平逆变器的限流控制方法、装置和系统，系统包括三电平逆变器和限流控制装置，限流控制装置包括发波控制模块、电流检测模块、电流过流判断模块和PWM控制模块。所述方法中，检测流过开关管的电流并转换为检测电压；基于检测电压与第一电压阈值和第二电压阈值的比较结果，使主开关管过流信号和辅助开关过流信号生效或者失效；并基于主开关管过流信号和辅助开关过流信号的生效和失效的情况，分别对三电平逆变器一相中的两个主开关管和两个辅助开关管进行限流控制。减少了辅助开关管不必要的关断，有效提高逆变器效率、可靠性和性能。

Description

一种三电平逆变器的限流控制方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及电子技术领域，更具体地说，涉及一种三电平逆变器的限流控制方法、装置和系统。
背景技术
逆变器是不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）中的重要组成部分，其可靠性直接决定UPS运行的稳定与否。近年来，三电平逆变器由于其众多优点而备受关注，但因为其电路结构复杂，使得控制的难度也比较大。为了保证三电平逆变器工作的稳定可靠，必须对其功率开关元件进行限流保护。
目前较为常见的限流保护方式是逐波限流法，当三电平逆变器突然带重载或发生输出短路等故障时，检测到流过功率开关元件的电流超过限值，此时按照一定时序将功率开关元件关断。当检测到流过功率开关元件的电流下降到小于限值时，再按照一定时序让功率开关元件恢复正常的开关逻辑。参见图1，三电平逆变器中每一相包括四个开关管（以IGBT为例），即位于上桥臂的主开关管Q1和辅助开关管Q2，以及位于下桥臂的主开关管Q4和辅助开关管Q3。传统的逐波限流逻辑为：流过开关管的电流I超过限值时，先关闭主开关管Q1和Q4，过一段时间再关闭辅助开关管Q2和Q3；直到流过开关管的电流I低于限值后即退出限流逻辑，先强制打开辅助开关管Q2和Q3，过一段时间再恢复所有开关管的开关逻辑。
然而，逐波限流法存在一个较大的缺陷：整个限流过程功率开关元件的动作过于频繁，这会使功率开关元件损耗增大。在大功率的逆变器应用场合，功率开关元件一般会选择IGBT，IGBT由于其关断特性导致开关损耗较大，如果频繁开关动作，会使IGBT温升增加而存在过热损坏的风险。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种三电平逆变器的限流控制方法、装置和系统，能够避免功率开关元件在限流状态时频繁开关或者不必要的关断，将功率开关元件升温控制在合理范围内，从而提高三电平逆变器效率。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：提供一种三电平逆变器的限流控制方法，三电平逆变器中的每一相包括两个主开关管和两个辅助开关管，限流控制方法包括以下步骤：
S1、检测流过开关管的电流，并将其转换为检测电压；
S2、将所述检测电压分别与第一电压阈值和第二电压阈值比较，所述第一电压阈值小于所述第二电压阈值，若所述检测电压大于或者等于第一电压阈值，使主开关管过流信号生效，若所述检测电压小于所述第一电压阈值，使主开关管过流信号失效，若所述检测电压大于所述第二电压阈值，使辅助开关管过流信号生效，若所述检测电压小于所述第二电压阈值，使辅助开关管过流信号失效；
S3、当主开关管过流信号生效时，关断两个主开关管；当辅助开关管过流信号生效时，关断两个辅助开关管；当辅助开关管过流信号和主开关管过流信号均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
优选地，步骤S3包括以下子步骤：
S31、当主开关管过流信号生效时，关断两个主开关管；
S32、当辅助开关管过流信号生效时，判断主开关管过流信号是否生效，若是则执行子步骤S33，若否则执行子步骤S31；
S33、判断从关断两个主开关管的时刻到当前时刻的时间间隔是否大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间，若是则关断辅助开关管，若否则等待所述时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时关断辅助开关管；
S34、当辅助开关管过流信号和主开关管过流信号均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
优选地，子步骤S34包括以下次级子步骤：
S341、等待PWM信号的下一个PWM周期开始时，强制导通两个辅助开关管；
S342、在强制导通两个辅助开关管的第一时间间隔之后，控制两个辅助开关管按照正常的开关逻辑动作；
S343、在控制两个辅助开关管按照正常的开关逻辑动作的第二时间间隔之后，控制两个主开关管按照正常的开关逻辑动作。
优选地，所述第二时间间隔为主开关管和辅助开关管的导通死区时间。
提供一种三电平逆变器的限流控制装置，三电平逆变器中的每一相包括两个主开关管和两个辅助开关管，所述限流控制装置包括：
发波控制模块，用于输出方向信号以及两路互补且带死区的PWM信号；
电流检测模块，用于检测流过开关管的电流，并将流过开关管的电流转换为检测电压后输出；
电流过流判断模块，用于输出主开关管过流信号和辅助开关管过流信号，还用于接收所述检测电压，并将所述检测电压与第一电压阈值和第二电压阈值比较，当所述检测电压大于或者等于所述第一电压阈值时，使输出的主开关管过流信号生效，当所述检测电压小于所述第一电压阈值时，使输出的主开关管过流信号失效，当所述检测电压大于或者等于所述第二电压阈值时，使输出的辅助开关管过流信号生效，当所述检测电压小于所述第二电压阈值时，使输出的辅助开关管过流信号失效，所述第一电压阈值小于所述第二电压阈值；
PWM控制模块，用于根据所述发波控制模块输出的方向信号以及两路互补且带死区的PWM信号生成按照一定逻辑变化的四路PWM信号并分别输出三电平逆变器一相中的四个开关管；还用于在接收到的所述主开关管过流信号生效时，关断两个主开关管；还用于在接收到的所述辅助开关管过流信号生效时，关断两个辅助开关管；还用于在接收到的所述主开关管过流信号和所述辅助开关管过流信号均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
优选地，所述电流过流判断模块包括：
第一比较器，其同相输入端输入所述检测电压，其反相输入端输入所述第一电压阈值，当所述检测电压大于或者等于所述第一电压阈值时，使输出的主开关管过流信号生效，当所述检测电压小于所述第一电压阈值时，使输出的主开关管过流信号失效；
第二比较器，其同相输入端输入所述检测电压，其反相输入端输入所述第二电压阈值，当所述检测电压大于或者等于所述第二电压阈值时，使输出的辅助开关管过流信号生效，当所述检测电压小于所述第二电压阈值时，使输出的辅助开关管过流信号失效。
优选地，所述PWM控制模块包括：
第一关断控制单元，用于在接收到的主开关管过流信号生效时，关断两个主开关管；
第一判断单元，用于在接收到的辅助开关管过流信号生效时，判断主开关管过流信号是否生效；
第二判断单元，用于在所述第一判断单元判断出主开关管过流信号已经生效时，判断从关断两个主开关管的时刻到当前时刻的时间间隔是否大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间；
第二关断控制单元，用于在关断两个主开关管的时刻到当前时刻的时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，关断辅助开关管，还用于在该时间间隔小于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，等待该时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，关断辅助开关管；
开关逻辑控制单元，用于在辅助开关管过流信号和主开关管过流信号均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
优选地，所述开关逻辑控制单元包括：
导通控制子单元，用于在接收到的所述主开关管过流信号和所述辅助开关管过流信号均失效时，等待所述发波控制模块输出的PWM信号的下一个PWM周期的开始时，强制导通两个辅助开关管；
第一开关逻辑控制子单元，用于在强制导通两个辅助开关管的第一时间间隔之后，控制两个辅助开关管按照正常的开关逻辑动作；
第二开关逻辑控制子单元，用于在控制两个辅助开关管按照正常的开关逻辑动作的第二时间间隔之后，控制两个主开关管按照正常的开关逻辑动作。
优选地，所述第二时间间隔为主开关管和辅助开关管的导通死区时间。
提供一种三电平逆变器的限流控制系统，包括三电平逆变器，以及上述任一项中所述的限流控制装置，一个限流控制装置用于对三电平逆变器一相中的四个开关管进行限流控制。
本发明的三电平逆变器的限流控制方法、装置和系统具有以下有益效果：设置了两个限流点对辅助开关管和主开关管分别进行限流控制，并且辅助开关管过流点高于主开关管过流点，这样，最大限度地减少了辅助开关管不必要的关断，将开关管升温控制在合理范围内，有效提高逆变器的效率、可靠性和性能。
另外，在单个PWM周期内只限流一次，并且能够在电流过流判断出错时，采用逐波限流的冗余备份来关断开关管，增加了逆变器的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为三电平逆变器中每一相的电路图；
图2为本发明的限流控制装置一优选实施例的结构示意图；
图3为本发明的电流过流判断模块一优选实施例的电路图；
图4为限流控制装置在主开关管限流但辅助开关管不限流的工况下的控制逻辑示意图；
图5为限流控制装置在主开关管和辅助开关管均限流的工况下的一种控制逻辑示意图；
图6为限流控制装置在主开关管和辅助开关管均限流的工况下的另一种控制逻辑示意图；
图7为限流控制装置在电流过流判断模块失效的工况下的控制逻辑示意图；
图8为本发明的PWM控制模块一优选实施例的结构示意图；
图9为本发明的限流控制方法第一实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的解释说明。
在本发明的三电平逆变器的限流控制系统第一实施例中，限流控制系统包括三电平逆变器和多个限流控制装置，参见图1，三电平逆变器中的每一相包括位于上桥臂的主开关管Q1和辅助开关管Q2，以及位于下桥臂的主开关管Q4和辅助开关管Q3，一个限流控制装置用于对三电平逆变器一相中的四个开关管进行限流控制。图2为本发明的限流控制装置200一优选实施例的结构示意图，如图2所示，限流控制装置200包括发波控制模块210、电流检测模块220、电流过流判断模块230以及PWM控制模块240。
其中，发波控制模块210用于输出电压处于正半周或者负半周的方向信号（Dir），以及两路互补且带死区的PWM信号（PWM1和PWM2）到PWM控制模块240，发波控制模块210可以通过数字信号处理器实现(digital singnal processor，DSP)。
电流检测模块220的输入端连接于桥臂输出端和滤波电感L之间，用于检测流过开关管的电流I，并将流过开关管的电流I转换为检测电压Vi（参见图3）后输出电流过流判断模块230。电流检测模块220可以通过霍尔电流传感器以及处理电路实现（举例但不用于限制本发明），霍尔电流传感器的输入端链接于桥臂输出端和滤波电感L之间，霍尔电流传感器的输出端能够输出精确反映其原边电流（即流过开关管的电流I）的电流变化到处理电路，处理单路将该电流信号转换为相应的电压信号（即转换为检测电压Vi）并输出电流过流判断模块230。
电流过流判断模块230用于输出主开关管过流信号OC1和辅助开关管过流信号OC2到PWM控制模块240，还用于接收电流检测模块220输出的检测电压Vi，并将检测电压Vi分别与预设的第一电压阈值V1和第二电压阈值V2（参见图3）比较，其中，第一电压阈值V1对应于两个主开关管Q1和Q4的限流点，第二电压阈值V2对应于两个辅助开关管Q2和Q3的限流点，因此，第一电压阈值V1小于第二电压阈值V2。当检测电压Vi小于第一电压阈值V1时，电流过流判断模块230使输出PWM控制模块240的主开关管过流信号OC1失效（即为低电平），当检测电压Vi大于或者等于第一电压阈值V1时，电流过流判断模块230使输出PWM控制模块240的主开关管过流信号OC1生效（OC1从低电平变为高电平）。当检测电压Vi小于第二电压阈值V2时，电流过流判断模块230使输出PWM控制模块240的辅助开关管过流信号OC2失效（即为低电平），当检测电压Vi大于或者等于第二电压阈值V2时，电流过流判断模块230使输出PWM控制模块240的辅助开关管过流信号OC2生效（OC2从低电平变为高电平）。
图3为本发明的电流过流判断模块230一优选实施例的电路图，如图3所示，电流过流判断模块230包括第一比较器231和第二比较器232，两比较器的同相输入端连接并输入检测电压Vi，第一比较器231的反相输入端输入第一电压阈值V1，第一比较器231的输出端输出主开关管过流信号OC1到PWM控制模块240。第二比较器232的反相输入端输入第二电压阈值V2，第二比较器232的输出端输出辅助开关管过流信号OC2到PWM控制模块240。当检测电压Vi小于第一电压阈值V1时，第一比较器231输出低电平到PWM控制模块240，即输出PWM控制模块240的主开关管过流信号OC1失效。当检测电压Vi大于或者等于第一电压阈值V1时，第一比较器231输出高电平到PMW控制模块240，即输出PWM控制模块240的主开关管过流信号OC1生效。同理，当检测电压Vi小于第二电压阈值V2时，第二比较器232使输出PWM控制模块240的辅助开关管过流信号OC2失效，当检测电压Vi大于或者等于第二电压阈值V2时，第二比较器232使输出PWM控制模块240的辅助开关管过流信号OC2生效。
PWM控制模块240用于根据发波控制模块210输出的方向信号Dir以及两路互补且带死区的PWM信号（PWM1和PWM2）生成按照一定逻辑变化的四路PWM信号——PWM_Q1、PWM_Q2、PWM_Q3和PWM_Q4，并将上述四路PWM信号分别输出三电平逆变器一相中的四个开关管，以驱动四个开关管按照开关逻辑动作。PWM控制模块240还用于在接收到的主开关管过流信号OC1生效时，关断两个主开关管Q1和Q4，在接收到的辅助开关管过流信号OC2生效时，关断两个辅助开关管Q2和Q3。PWM控制模块240还用于在接收到的主开关管过流信号OC1和辅助开关管过流信号OC2均失效时，使所有开关管的开关逻辑，此处包含两种情况，第一种是检测电压Vi一直低于第一电压阈值，主开关管过流信号OC1和辅助开关管过流信号OC2一直为失效状态，PWM控制模块240执行一般的开关管驱动功能，使各开关管按照正常的开关逻辑动作。另一种是检测电压Vi从高下降到低于第一阈值时，PWM控制模块240要控制开关管退出限流控制，使各开关管按照正常的开关逻辑动作。
另外，当电流过流判断模块230失效时会导致PWM控制模块240在接收到的辅助开关管过流信号OC2生效时，主关管过流信号OC1失效，即两个主开关管Q1和Q4未被关断的情况，此时PWM控制模块240立即关断两个主开关管Q1和Q4，并经过主开关管和辅助开关管的导通死区时间后关断两个辅助开关管Q2和Q3。
以下将具体描述在三种工况下，限流控制装置200对三电平逆变器一相中的四个开关管进行限流控制的原理，其中，Dir以输出电压处于正半周时为例，对于输出电压处于负半周也可同样分析。
一、主开关管限流但辅助开关管不限流
如图4所示，COMP1为主开关管限流点（对应于第一电压阈值V1），
COMP2为辅助开关管限流点（对应于第二电压阈值V2），I为输出滤波电感L上的电流（即流过开关管的电流），OC1为主开关管过流信号，OC2为辅助开关管过流信号，PWM1为发波控制模块210发出的主开关管驱动源，PWM2为发波控制模块210发出的辅助开关管驱动源，PWM_Q1为PWM控制模块240输出主开关管Q1的PWM驱动信号，PWM_Q2为PWM控制模块240输出辅助开关管Q2的PWM驱动信号，PWM_Q3为PWM控制模块240输出辅助开关管Q3的PWM驱动信号，PWM_Q4为PWM控制模块240输出主开关管Q4的PWM驱动信号。其中,OC2为低电平，PWM_Q2为高电平，PWM_Q4为低电平。
当输出突加重载或出现短路等意外时，流过开关管的电流I迅速升高，在t1时刻，流过开关管的电流I超过了主开关管限流点，此时，当检测电压Vi大于第一电压阈值V1，电流过流判断模块230使输出PWM控制模块240的主开关管过流信号OC1生效，PWM控制模块240立即将PWM_Q1和PWM_Q4关断，从而关断两个主开关管Q1和Q4，并置PWM封锁标志位为有效（设置为1）。经过一小段延迟（硬件的动作时间），流过开关管的电流I开始下降，并没有触发辅助开关管过流，因此辅助开关管Q2和Q3的驱动不会受到影响，仍然按照PWM_Q2和PWM_Q3的正常的逻辑进行开关动作。在t2时刻，流过开关管的电流I下降到低于主开关管限流点，电流过流判断模块230使输出PWM控制模块240的主开关管过流信号OC1失效，PWM控制模块240并没有马上解除主开关管的PWM限制，而是需要等待到下一个PWM周期，因此在这里PWM控制模块240只是置解决限流标志位为有效。直到t3时刻，发波控制模块210发出的PWM1有效电平到来，PWM控制模块240在此刻开始解除限流，具体是：先强制两个辅助开关管Q2和Q3导通一段时间（第一时间间隔），然后取消强制导通，使两个辅助开关管Q2和Q3按正常逻辑发波；在控制两个辅助开关管Q2和Q3按正常逻辑发波的第二时间间隔之后，解除主开关管的限流命令（PWM封锁），使其按正常逻辑发波，其中，第二时间间隔为主开关管和辅助开关管的导通死区时间。
二、主开关管和辅助开关管均限流
如图5和6所示，PWM_Q4为低电平，在t4时刻，电流过流判断模块230使输出PWM控制模块240的主开关管过流信号OC1生效，PWM控制模块240关断PWM_Q1和PWM_Q4并置PWM封锁标志位为有效。但流过开关管的电流I并没有下降，而是继续上升到达辅助开关管的限流点COMP2，于是在t5时刻电流过流判断模块230使输出PWM控制模块240的辅助开关管过流信号OC2生效。这时，PWM控制模块240首先要确定PWM封锁标志是否为有效，若是表明此时主开关管Q1和Q4已经关断，则进一步对t4到t5这段时间进行确认，即对主开关管过流信号OC1生效到辅助开关管过流信号OC2生效之间的延时与主开关管和辅助开关管的导通死区时间的比较：如果这段时间已经大于预设的主开关管和辅助开关管的导通死区时间，就会立刻关断辅助开关管Q2和Q3，如图5，在t5时刻将PWM_Q2和PWM_Q3关断；而如果t4到t5的时间小于死区，则继续等待，如图6示，直到t6时刻，t4到t6的时间等于死区，于是在t6时刻将PWM_Q2和PWM_Q3关断。在t7时刻，辅助开关管过流信号OC2失效，由于主开关管过流信号OC1仍然有效，限流状态维持。到t8时刻，主开关管过流信号OC1失效，PWM控制模块240置解除限流标志为有效。到t9时刻PWM1有效电平到来，PWM控制模块240开始解除限流，这部分逻辑和图4中t3时刻以后逻辑相同。
三、电流过流判断模块230失效
如图7所示，限流保护功能的冗余备份，在三电平逆变器中，逐波限流是一个非常重要的功能，对这一功能进行冗余备份就是让三电平逆变器获得了双重保护。其中，OC1为低电平，PWM_Q4为低电平。在t10时刻，流过开关管的电流I已经到主开关管的达限流点COMP1，由于电流过流判断模块230失效，主开关管过流信号OC1却没有生效，因此电感电流继续上升，在t11时刻达到辅助开关管限流点COMP2，辅助开关管过流信号OC2生效。PWM控制模块240首先要确定PWM封锁标志位是否为有效，这时PWM控制模块240发现主开关管Q1和Q4并没有关断，即PWM封锁标志位为无效，于是立刻关断PWM_Q1和PWM_Q，并开始延时计数，到t12时刻延时时间到，将PWM_Q2和PWM_Q3关断，以关断辅助开关管Q2和Q3。在t13时刻，辅助开关管过流信号OC2失效，PWM控制模块240置解除限流标志位为有效。t14时刻，主开关管过流信号OC1失效，到t15时刻PWM1有效电平到来，PWM控制模块240开始解除限流，这部分逻辑和图4中t3时刻以后逻辑相同。
本发明的三电平逆变器的限流控制系统中，限流控制装置中设置了两个限流点对辅助开关管和主开关管分别进行限流控制，由于辅助开关管过流点高于主开关管过流点，因此，最大限度地减少了辅助开关管不必要的关断，并实现单个PWM周期内只限流一次，这可以有效提高逆变器效率、可靠性和性能。而且逐波限流的冗余备份也增加了逆变器的可靠性。
图8为本发明的PWM控制模块240一优选实施例的结构示意图，PWM控制模块240可以通过PWM控制器来实现，其除了传统的根据发波控制模块210输出的方向信号Dir以及两路互补且带死区的PWM信号生成按照一定逻辑变化的四路PWM信号的功能模块外，参见图1-图8，PWM控制模块240还包括：
第一关断控制单元241，用于在接收到的主开关管过流信号OC1生效时，关断两个主开关管Q1和Q4；
第一判断单元242，用于在接收到的辅助开关管过流信号OC2生效时，判断主开关管过流信号OC1是否生效；
第二判断单元243，用于在第一判断单元242判断出主开关管过流信号OC1已经生效时，判断从关断两个主开关管Q1和Q4的时刻到当前时刻的时间间隔是否大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间；
第二关断控制单元244，用于在关断两个主开关管Q1和Q4的时刻到当前时刻的时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，关断辅助开关管Q2和Q3，还用于在该时间间隔小于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，等待该时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，关断辅助开关管Q2和Q3；
开关逻辑控制单元245，用于在辅助开关管过流信号OC1和主开关管过流信号OC2均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
在本实施例中，开关逻辑控制单元245包括：
导通控制子单元2451，用于在接收到的主开关管过流信号OC1和辅助开关管过流信号OC2均失效时，等待发波控制模块210输出的PWM信号的下一个PWM周期开始时，强制导通两个辅助开关管Q2和Q3；
第一开关逻辑控制子单元2452，用于在强制导通两个辅助开关管Q2和Q3的第一时间间隔之后，控制两个辅助开关管Q2和Q3按照正常的开关逻辑动作；
第二开关逻辑控制子单元2453，用于在控制两个辅助开关管Q2和Q3按照正常的开关逻辑动作的第二时间间隔之后，控制两个主开关管Q1和Q4按照正常的开关逻辑动作，其中，第二时间间隔为主开关管和辅助开关管的导通死区时间。
当流过开关管的电流I升高并超过了主开关管限流点，PWM控制模块240接收到的主开关管过流信号OC1生效（从低电平变为高电平），第一关断单元241立即将PWM_Q1和PWM_Q4关断，从而关断两个主开关管Q1和Q4，并置PWM封锁标志位为有效（设置为1）。经过一小段延迟（硬件的动作时间），流过开关管的电流I开始下降，并没有触发辅助开关管过流，因此辅助开关管Q2和Q3的驱动不会受到影响，仍然按照PWM_Q2和PWM_Q3的正常的逻辑进行开关动作。当流过开关管的电流I下降到低于主开关管限流点，PWM控制模块240接收到的主开关管过流信号OC1失效（从高电平变到低电平），而辅助开关管过流信号OC2一直处于失效状态，PWM控制模块240并没有马上解除主开关管的PWM限制，而是通过开关逻辑控制单元245的导通控制子单元2451先置解决限流标志位为有效，然后等待发波控制模块210输出的PWM信号的下一个PWM周期开始时，强制导通两个辅助开关管Q2和Q3。在强制导通两个辅助开关管的第一时间间隔之后，通过第一开关逻辑控制子单元2452控制两个辅助开关Q2和Q3按照正常的开关逻辑动作。在控制两个辅助开关管Q2和Q3按照正常的开关逻辑动作的第二时间间隔（主开关管和辅助开关管的导通死区时间）之后，通过第二开关逻辑控制子单元2453控制两个主开关管Q1和Q4按照正常的开关逻辑动作。
当流过开关管的电流I超过主开关管限流点后继续升高直到超过辅助开关管限流点时，有以下有两种情况：
第一种，为电流过流判断模块230正常工作的情况，此时，在流过开关管的电流I超过主开关管限流点时，第一关断控制单元241已经将两个主开关管Q1和Q4关断，并置PWM封锁标志位为有效。若当流过开关管的电流I的继续升高并超过辅助开关管限流点时，接收到的辅助开关管过流信号OC2生效，此时，通过第一判断单元242判断两个主开关管Q1和Q4已经关断，则使能第二判断单元243进一步判断从关断两个主开关管Q1和Q4的时刻到当前时刻的时间间隔是否大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间。然后通过第二关断控制单元244，在所述时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，关断辅助开关管Q2和Q3，在所述时间间隔小于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，等待所述时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时关断辅助开关管Q2和Q3。当流过开关管的电流I下降到低于主开关管限流点时，工作原理如前所述。
第二种，为电流过流判断模块230故障的情况，此时，在流过开关管的电流I超过主开关管限流点时，电流过流判断模块230未将输出PWM控制模块240的主开关过流信号OC1生效，因此，第一关断控制单元241没有将两个主开关管Q1和Q4关断，也未将PWM封锁标志位设置为有效。此时，通过第一判断单元242判断出主开关过流信号OC1失效，即两个主开关管Q1和Q4未关断，这与第一电压阈值小于第二电压阈值的情况矛盾，得知电流过流判断模块230故障，此时，将该特殊情况当做接收到了主开关过流信号OC1生效的情况处理，通过第一开关控制单元241将两个主开关管Q1和Q4关断。然后按照正常的执行方式执行后续工作。
图9为本发明的三电平逆变器的限流控制方法第一实施例的流程图，用于在上述限流控制系统中三电平逆变器每相中的四个开关管进行限流控制，参见图1-7以及图9，在本实施例中，限流控制方法包括以下步骤：
S1、检测流过开关管的电流I，并将其转换为检测电压Vi；
S2、将检测电压Vi分别与第一电压阈值V1和第二电压阈值V2比较，第一电压阈值V1小于第二电压阈值V2，若检测电压Vi大于或者等于第一电压阈值V1，使主开关管过流信号OC1生效，若检测电压Vi小于第一电压阈值V1，使主开关管过流信号OC1失效，若检测电压Vi大于所述第二电压阈值V2，使辅助开关管过流信号OC2生效，若检测电压Vi小于第二电压阈值V2，使辅助开关管过流信号OC2失效；
S3、当主开关管过流信号生效OC1时，关断两个主开关管Q1和Q4；当辅助开关管过流信号OC2生效时，关断两个辅助开关管Q2和Q3；当辅助开关管过流信号OC2和主开关管过流信号OC1均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
在本实施例中，步骤S3包括以下子步骤：
S31、当主开关管过流信号OC1生效时，关断两个主开关管Q1和Q4；
S32、当辅助开关管过流信号OC2生效时，判断主开关管过流信号OC1是否生效，若是则执行子步骤S33，若否则执行子步骤S31；
S33、判断从关断两个主开关管Q1和Q4的时刻到当前时刻的时间间隔是否大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间，若是则关断辅助开关管Q2和Q3，若否则等待该时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时关断辅助开关管Q2和Q3；
S34、当辅助开关管过流信号OC2和主开关管过流信号OC1均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
在本实施例中，子步骤S34包括以下次级子步骤：S341、等待PWM信号的下一个PWM周期开始时，强制导通两个辅助开关管Q2和Q3；S342、在强制导通两个辅助开关管Q2和Q3的第一时间间隔之后，控制两个辅助开关管Q2和Q3按照正常的开关逻辑动作；S343、在控制两个辅助开关管Q2和Q3按照正常的开关逻辑动作的第二时间间隔之后，控制两个主开关管Q1和Q4按照正常的开关逻辑动作。其中，第二时间间隔为主开关管和辅助开关管的导通死区时间。
在本实施例的步骤S1中，可以通过霍尔电流传感器检测流过开关管的电流I，然后将检测到的电流I输出处理电路，由处理电路将电流I转换为相应的电压信号，即转换为检测电压Vi。
在本实施例的步骤S2中，可以通过第一比较器231将检测电压Vi与第一电压阈值V1比较，当检测电压Vi大于或者等于第一电压阈值V1时，第一比较器231输出高电平，即主开关管过流信号OC1生效，相反时输出低电平，即主开关管过流信号OC1失效。可以通过第二比较器232将检测电压Vi与第二电压阈值V2比较，当检测电压Vi大于或者等于第二电压阈值V2时，第二比较器232输出高电平，即辅助开关管过流信号OC2生效，相反时输出低电平，即辅助开关管过流信号OC2失效。
在本实施例的步骤S3中，通过PWM控制模块240接收主开关管过流信号OC1和辅助开关管过流信号OC2，并基于两个信号的状态分别控制两个主开关管Q1和Q4以及两个辅助开关管Q2和Q3的通断。具体地，在子步骤S31中，当PWM控制模块240接收到的主开关管过流信号OC1生效时，其若PWM控制模块240立即将两个主开关管Q1和Q4关断，并置PWM封锁标志位为有效。经过一小段延迟（硬件的动作时间），流过开关管的电流I开始下降，并没有触发辅助开关管过流，因此辅助开关管Q2和Q3的驱动不会受到影响，仍然按照PWM_Q2和PWM_Q3的正常的逻辑进行开关动作。直到流过开关管的电流I下降到低于主开关管限流点，第一比较器231使输出PWM控制模块240的主开关管过流信号OC1失效，PWM控制模块240并没有马上解除主开关管的PWM限制。接着执行次级子步骤S341，PWM控制模块240需要等待到下一个PWM周期的开始，因此在这里PWM控制模块240只是置解决限流标志位为有效，直到发波控制模块210发出的PWM1有效电平到来，PWM控制模块240在此刻开始解除限流，其先强制导通两个辅助开关管Q2和Q3。然后在次级子步骤S342中，在强制导通两个辅助开关管Q2和Q3一段时间（第一时间间隔）后取消强制导通，使两个辅助开关管Q2和Q3按正常逻辑发波。接着在次级子步骤S343中，PWM控制模块240在控制两个辅助开关管Q2和Q3按正常逻辑发波的第二时间间隔之后，解除主开关管的限流命令（PWM封锁），使其按正常逻辑发波，其中，第二时间间隔为主开关管和辅助开关管的导通死区时间。
当电流过流判断模块230故障，例如第一比较器231故障时，在检测电压Vi高于或者等于第一电压阈值V1时，输出PWM控制模块240的主开关过流信号OC1维持无效状态。当流过开关管电流I持续上升直到超过辅助开关限流点时，PWM控制模块240接收到的辅助开关过流信号OC2生效。此时，直接执行步骤S32，在子步骤S32中，PWM控制模块240判断当前还未关断两个主开关管Q1和Q4，直接执行子步骤S31，将上述特殊情况当做主开关过流信号OC1生效的情况处理，关断两个主开关管Q1和Q4。此时，在子步骤S32中判断出接收到辅助开关过流信号OC2生效，主开关过流信号OC1也生效，则执行子步骤S33，在子步骤S33中，PWM控制模块240判断从关断两个主开关管Q1和Q4的时刻到当前时刻的时间间隔是否大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间，若是则关断辅助开关管Q2和Q3，若否则等待所述时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时关断辅助开关管Q2和Q3。四个开关管关断后，电流I下降，当下降到低于主开关管限流点时，主开关管过流信号OC1和辅助开关管过流信号OC2均失效，执行次级子步骤S341-S343。
通过设置两个限流点对主开关管和辅助开关管进行分别控制，最大限度减少辅助开关管不必要的关断，并实现在一个PWM周期内只限流一次。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种三电平逆变器的限流控制方法，三电平逆变器中的每一相包括两个主开关管和两个辅助开关管，其特征在于，包括以下步骤：
S1、检测流过开关管的电流，并将其转换为检测电压；
S2、将所述检测电压分别与第一电压阈值和第二电压阈值比较，所述第一电压阈值小于所述第二电压阈值，若所述检测电压大于或者等于第一电压阈值，使主开关管过流信号生效，若所述检测电压小于所述第一电压阈值，使主开关管过流信号失效，若所述检测电压大于所述第二电压阈值，使辅助开关管过流信号生效，若所述检测电压小于所述第二电压阈值，使辅助开关管过流信号失效；
S3、当主开关管过流信号生效时，关断两个主开关管；当辅助开关管过流信号生效时，关断两个辅助开关管；当辅助开关管过流信号和主开关管过流信号均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器的限流控制方法，其特征在于，步骤S3包括以下子步骤：
S31、当主开关管过流信号生效时，关断两个主开关管；
S32、当辅助开关管过流信号生效时，判断主开关管过流信号是否生效，若是则执行子步骤S33，若否则等待所述主开关管过流信号生效后执行子步骤S31；
S33、判断从关断两个主开关管的时刻到当前时刻的时间间隔是否大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间，若是则关断辅助开关管，若否则等待所述时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时关断辅助开关管；
S34、当辅助开关管过流信号和主开关管过流信号均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
3.根据权利要求2所述的三电平逆变器的限流控制方法，其特征在于，子步骤S34包括以下次级子步骤：
S341、等待PWM信号的下一个PWM周期开始时，强制导通两个辅助开关管；
S342、在强制导通两个辅助开关管的第一时间间隔之后，控制两个辅助开关管按照正常的开关逻辑动作；
S343、在控制两个辅助开关管按照正常的开关逻辑动作的第二时间间隔之后，控制两个主开关管按照正常的开关逻辑动作。
4.根据权利要求3所述的三电平逆变器的限流控制方法，其特征在于，所述第二时间间隔为主开关管和辅助开关管的导通死区时间。
5.一种三电平逆变器的限流控制装置，三电平逆变器中的每一相包括两个主开关管和两个辅助开关管，其特征在于，所述限流控制装置包括：
发波控制模块(210)，用于输出方向信号以及两路互补且带死区的PWM信号；
电流检测模块(220)，用于检测流过开关管的电流，并将流过开关管的电流转换为检测电压后输出；
电流过流判断模块(230)，用于输出主开关管过流信号和辅助开关管过流信号，还用于接收所述检测电压，并将所述检测电压与第一电压阈值和第二电压阈值比较，当所述检测电压大于或者等于所述第一电压阈值时，使输出的主开关管过流信号生效，当所述检测电压小于所述第一电压阈值时，使输出的主开关管过流信号失效，当所述检测电压大于或者等于所述第二电压阈值时，使输出的辅助开关管过流信号生效，当所述检测电压小于所述第二电压阈值时，使输出的辅助开关管过流信号失效，所述第一电压阈值小于所述第二电压阈值；
PWM控制模块(240)，用于根据所述发波控制模块(210)输出的方向信号以及两路互补且带死区的PWM信号生成按照一定逻辑变化的四路PWM信号并分别输出三电平逆变器一相中的四个开关管；还用于在接收到的所述主开关管过流信号生效时，关断两个主开关管；还用于在接收到的所述辅助开关管过流信号生效时，关断两个辅助开关管；还用于在接收到的所述主开关管过流信号和所述辅助开关管过流信号均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
6.根据权利要求5所述的三电平逆变器的限流控制装置，其特征在于，所述电流过流判断模块(230)包括：
第一比较器(231)，其同相输入端输入所述检测电压，其反相输入端输入所述第一电压阈值，当所述检测电压大于或者等于所述第一电压阈值时，使输出的主开关管过流信号生效，当所述检测电压小于所述第一电压阈值时，使输出的主开关管过流信号失效；
第二比较器(232)，其同相输入端输入所述检测电压，其反相输入端输入所述第二电压阈值，当所述检测电压大于或者等于所述第二电压阈值时，使输出的辅助开关管过流信号生效，当所述检测电压小于所述第二电压阈值时，使输出的辅助开关管过流信号失效。
7.根据权利要求5所述的三电平逆变器的限流控制装置，其特征在于，所述PWM控制模块(240)包括：
第一关断控制单元(241)，用于在接收到的主开关管过流信号生效时，关断两个主开关管；
第一判断单元(242)，用于在接收到的辅助开关管过流信号生效时，判断主开关管过流信号是否生效；
第二判断单元(243)，用于在所述第一判断单元(242)判断出主开关管过流信号已经生效时，判断从关断两个主开关管的时刻到当前时刻的时间间隔是否大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间；
第二关断控制单元(244)，用于在关断两个主开关管的时刻到当前时刻的时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，关断辅助开关管，还用于在该时间间隔小于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，等待该时间间隔大于或者等于主开关管和辅助开关管的导通死区时间时，关断辅助开关管；
开关逻辑控制单元(245)，用于在辅助开关管过流信号和主开关管过流信号均失效时，使所有开关管按照正常的开关逻辑动作。
8.根据权利要求7所述的三电平逆变器的限流控制装置，其特征在于，所述开关逻辑控制单元(245)包括：
导通控制子单元(2451)，用于在接收到的所述主开关管过流信号和所述辅助开关管过流信号均失效时，等待所述发波控制模块(210)输出的PWM信号的下一个PWM周期的开始时，强制导通两个辅助开关管；
第一开关逻辑控制子单元(2452)，用于在强制导通两个辅助开关管的第一时间间隔之后，控制两个辅助开关管按照正常的开关逻辑动作；
第二开关逻辑控制子单元(2453)，用于在控制两个辅助开关管按照正常的开关逻辑动作的第二时间间隔之后，控制两个主开关管按照正常的开关逻辑动作。
9.根据权利要求8所述的三电平逆变器的限流控制装置，其特征在于，所述第二时间间隔为主开关管和辅助开关管的导通死区时间。
10.一种三电平逆变器的限流控制系统，包括三电平逆变器，其特征在于，所述限流控制系统还包括多个权利要求5-9中任一项所述的限流控制装置，一个限流控制装置用于对三电平逆变器一相中的四个开关管进行限流控制。
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