CN104578863A - 一种高容错性的三电平电路 - Google Patents

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方俊翔
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    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection

Abstract

本发明公开了一种高容错性的三电平电路。该电路包括:八个开关管（IGBT1～IGBT8）、两个保险管（F1、F2）、两个电容(C0、C1)；开关管（IGBT1～IGBT4）为主开关管组成一个三电平的逆变电路，开关管（IGBT5～IGBT8）为辅助开关管使得任何主开关管出现故障（短路或开路）的时候可以保证正常三电平输出，两个保险管（F1、F2）在开关管(IGBT2、IGBT3)短路的时候分别熔断，来保护电路正常输出；本发明中的电路具有很高的可靠性和容错性，在单管出现故障的时候可以保证电路正常工作。

Description

一种高容错性的三电平电路
技术领域
 本发明涉及多电平逆变技术领域，尤其涉及一种高容错性的三电平电路。
背景技术
多电平逆变器更加适用于大功率高电压的场合，是当前电力电子领域研究的热点课题之一。多电平逆变器还有一个优点就是具有一定的容错能力，但是在出现故障的时候会出现输出的不完整，也就是说这种能力是有限的。在一些运用于重要领域的逆变器对其可靠性的要求是很高的，希望逆变器在很长的时间内都能正常的工作，于是高容错性的逆变器在这个领域就很有必要，本发明涉及一种高容错性的三电平电路具有很高的可靠性和很高的容错性，可以在任意单管短路或开路故障时保持变换器的正常三电平输出。
发明内容
 针对现有技术存在的不足，本发明公开一种高容错性的三电平电路，可实现高可靠性和高容错性。
本发明为达到上述目的，所采用的技术方案如下:
一种高容错性的三电平电路，包括: 八个开关管、两个保险管、两个电容；所述的第一开关管的集电极与第一电容阳极、第七开关管的集电极连接，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极、第五开关管的集电极相连；第二开关管的发射极与第三开关管的集电极、第七开关管的发射极、第八开关管的集电极连接；第三开关管的发射极与第四开关管的集电极、第六开关管的发射极连接；第四开关管的发射极与第八开关管的发射极、第二电容的阴极连接；第五开关管的发射极与第一保险管的一端连接；第六开关管的集电极与第二保险管的一端连接；第一电容阴极与第二电容阳极、第一保险管和第二保险管的另一端连接。
进一步的，所述第一开关管发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第二开关管导通输出高电平，第三开关管和第六开关管导通输出中间电平，第三开关管和第四开关管导通输出低电平，其余开关管关闭；第一开关管发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第七开关管导通输出高电平，第三开关管和第六开关管导通输出中间电平，第三开关管和第四开关管导通输出低电平，其余开关管关闭。
所述第二开关管发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：先导通第一开关管和第五开关管使第一保险管过流熔断，第一开关管导通输出高电平，第三开关管和第六开关管导通输出中间电平，第三开关管和第四开关管导通输出低电平，其余开关管关闭；第二开关管发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第七开关管导通输出高电平，第三开关管和第六开关管导通输出中间电平，第三开关管和第四开关管导通输出低电平，其余开关管关闭。
所述第三开关管发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：先导通第四开关管和第六开关管使第二保险管过流熔断，第一开关管和第二开关管导通输出高电平，第二开关管和第五开关管导通输出中间电平，第四开关管导通输出低电平，其余开关管关闭；第三开关管发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第一开关管和第二开关管导通输出高电平，第二开关管和第五开关管导通输出中间电平，第八开关管导通输出低电平，其余开关管关闭。
所述第四开关管发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第一开关管和第二开关管导通输出高电平，第二开关管和第五开关管导通输出中间电平，第三开关管导通输出低电平，其余开关管关闭；第四开关管发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第一开关管和第二开关管导通输出高电平，第二开关管和第五开关管导通输出中间电平，第八开关管导通输出低电平，其余开关管关闭。
与现有技术方案相比较，本发明具有以下优点和技术效果：
本发明的一种高容错性的三电平电路，该电路可以在主开关管发生短路故障时保持正常的三电平输出；在主开关管发生开路故障时保持正常的三电平输出。该多电平逆变电路具有很高的容错性，所以比一般三电平变换电路更长的寿命，具有很高的可靠性。
附图说明
图1是包含本发明的一种高容错性的三电平电路示意图。
图2是第二开关管短路故障时实现高电平输出的电路示意图。
图3是第二开关管短路故障时实现中间电平输出的电路示意图。
图4是第二开关管短路故障时实现低电平输出的电路示意图。
图5是第二开关管开路故障时实现高电平输出的电路示意图。
图6是第二开关管开路故障时实现中间电平输出的电路示意图。
图7是第二开关管开路故障时实现低电平输出的电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的是实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此，需指出的，若有未特别详细说明的控制过程（如编程），均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
如图1所示，为本发明的一种高容错性的三电平电路示意图，包括:八个开关管（IGBT1～IGBT8）、两个保险管（F1、F2）、两个电容（C0、C1）；所述的第一开关管IGBT1的集电极与第一电容C0阳极、第七开关管IGBT7的集电极连接，第一开关管IGBT1的发射极与第二开关管IGBT2的集电极、第五开关管IGBT5的集电极相连；第二开关管IGBT2的发射极与第三开关管IGBT3的集电极、第七开关管IGBT7的发射极、第八开关管IGBT8的集电极连接；第三开关管IGBT3的发射极与第四开关管IGBT4的集电极、第六开关管IGBT6的发射极连接；第四开关管IGBT4的发射极与第八开关管IGBT8的发射极、第二电容C1的阴极连接；第五开关管IGBT5的发射极与第一保险管F1的一端连接；第六开关管IGBT6的集电极与第二保险管F2的一端连接；第一电容C0阴极与第二电容C1阳极、第一保险管F1和第二保险管F2的另一端连接。
作为优选，所述的第一电容C0为电解电容，例如可选4700uF的电解电容.
所述的第二电容C1为电解电容，例如可选4700uF的电解电容。
所述控制各开关管的控制芯片选用德州仪器(TI)2000系列的一款低成本数字信号处理器TMS320F28016。
设定提供给变换器的输入电压为2U。
上述一种高容错性的三电平电路的具体实现方法是：
第一开关管IGBT1发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第二开关管IGBT2导通输出高电平2U，第三开关管IGBT3和第六开关管IGBT6导通输出中间电平U，第三开关管IGBT3和第四开关管IGBT4导通输出低电平0；第一开关管IGBT1发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第七开关管IGBT7导通输出高电平2U，第三开关管IGBT3和第六开关管IGBT6导通输出中间电平U，第三开关管IGBT3和第四开关管IGBT4导通输出低电平0。
图2～图7分析了三电平电路在第二开关管IGBT2发生故障短路时获得各电平输出的回路，具体操作方式如下：先导通第一开关管IGBT1和第五开关管IGBT5使第一保险管F1过流熔断，第一开关管IGBT1导通输出高电平2U（如图2所示），第三开关管IGBT3和第六开关管IGBT6导通输出中间电平U（如图3所示），第三开关管IGBT3和第四开关管IGBT4导通输出低电平0（如图4所示）；第二开关管IGBT2发生故障开路时：第七开关管IGBT7导通输出高电平2U（如图5所示），第三开关管IGBT3和第六开关管IGBT6导通输出中间电平U（如图6所示），第三开关管IGBT3和第四开关管IGBT4导通输出低电平0（如图7所示）。
第三开关管IGBT3发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：先导通第四开关管IGBT4和第六开关管IGBT6使第二保险管F2过流熔断，第一开关管IGBT1和第二开关管IGBT2导通输出高电平2U，第二开关管IGBT2和第五开关管IGBT5导通输出中间电平U，第四开关管IGBT4导通输出低电平0；第三开关管IGBT3发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第一开关管IGBT1和第二开关管IGBT2导通输出高电平2U，第二开关管IGBT2和第五开关管IGBT5导通输出中间电平U，第八开关管IGBT8导通输出低电平0。
第四开关管IGBT4发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第一开关管IGBT1和第二开关管IGBT2导通输出高电平2U，第二开关管IGBT2和第五开关管IGBT5导通输出中间电平U，第三开关管IGBT3导通输出低电平0；第四开关管IGBT4发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第一开关管IGBT1和第二开关管IGBT2导通输出高电平2U，第二开关管IGBT2和第五开关管IGBT5导通输出中间电平U，第八开关管IGBT8导通输出低电平0。
可见，当电路无故障正常输出的时候，控制主开关管IGBT1～IGBT4开关实现三电平输出；当输出检测到电路无法正常三电平输出的时候，可以调用中断子程序判断主开关管IGBT1～IGBT4发生何种类型的故障，对于短路故障通过检测各管集射极是否零电平判断，而开路故障通过分别输出驱动脉冲的方式来导通各管是否实现集射极零电平来判断，确定故障后调用DSP中上述相应的控制子程序，通过这种方式就可以恢复电路的三电平输出，整个过程不需硬件的更换通过检测就能恢复正常运行，方便高效。
本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (5)

1.一种高容错性的三电平电路，其特征在于包括:八个开关管（IGBT1～IGBT8）、两个保险管（F1、F2）、两个电容(C0、C1)；其中第一开关管（IGBT1）的集电极与第一电容（C0）阳极、第七开关管（IGBT7）的集电极连接，第一开关管（IGBT1）的发射极与第二开关管（IGBT2）的集电极、第五开关管（IGBT5）的集电极相连；第二开关管（IGBT2）的发射极与第三开关管（IGBT3）的集电极、第七开关管（IGBT7）的发射极、第八开关管（IGBT8）的集电极连接；第三开关管（IGBT3）的发射极与第四开关管（IGBT4）的集电极、第六开关管（IGBT6）的发射极连接；第四开关管（IGBT4）的发射极与第八开关管（IGBT8）的发射极、第二电容(C1）阴极连接；第五开关管（IGBT5）的发射极与第一保险管（F1）的一端连接；第六开关管（IGBT6）的集电极与第二保险管（F2）的一端连接；第一电容（C0）阴极与第二电容(C1)阳极、第一保险管（F1）和第二保险管（F2）的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种高容错性的三电平电路，其特征是：第一开关管（IGBT1）发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第二开关管（IGBT2）导通输出高电平，第三开关管（IGBT3）和第六开关管（IGBT6）导通输出中间电平，第三开关管（IGBT3）和第四开关管（IGBT4）导通输出低电平，其余开关管关闭；第一开关管（IGBT1）发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第七开关管（IGBT7）导通输出高电平，第三开关管（IGBT3）和第六开关管（IGBT6）导通输出中间电平，第三开关管（IGBT3）和第四开关管（IGBT4）导通输出低电平，其余开关管关闭。
3.根据权利要求1所述的一种高容错性的三电平电路，其特征是：第二开关管（IGBT2）发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：先导通第一开关管（IGBT1）和第五开关管（IGBT5）使第一保险管（F1）过流熔断，第一开关管（IGBT1）导通输出高电平，第三开关管（IGBT3）和第六开关管（IGBT6）导通输出中间电平，第三开关管（IGBT3）和第四开关管（IGBT4）导通输出低电平，其余开关管关闭；第二开关管（IGBT2）发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第七开关管（IGBT7）导通输出高电平，第三开关管（IGBT3）和第六开关管（IGBT6）导通输出中间电平，第三开关管（IGBT3）和第四开关管（IGBT4）导通输出低电平，其余开关管关闭。
4.根据权利要求1所述的一种高容错性的三电平电路，其特征是：第三开关管（IGBT3）发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：先导通第四开关管（IGBT4）和第六开关管（IGBT6）使第二保险管（F2）过流熔断，第一开关管（IGBT1）和第二开关管（IGBT2）导通输出高电平，第二开关管（IGBT2）和第五开关管（IGBT5）导通输出中间电平，第四开关管（IGBT4）导通输出低电平，其余开关管关闭；第三开关管（IGBT3）发生故障开路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第一开关管（IGBT1）和第二开关管（IGBT2）导通输出高电平，第二开关管（IGBT2）和第五开关管（IGBT5）导通输出中间电平，第八开关管（IGBT8）导通输出低电平，其余开关管关闭。
5.根据权利要求1所述的一种高容错性的三电平电路，其特征是：第四开关管（IGBT4）发生故障短路时通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第一开关管（IGBT1）和第二开关管（IGBT2）导通输出高电平，第二开关管（IGBT2）和第五开关管（IGBT5）导通输出中间电平，第三开关管（IGBT3）导通输出低电平，其余开关管关闭；第四开关管（IGBT4）发生故障开路通过控制如下开关管导通使电路保持三电平输出：第一开关管（IGBT1）和第二开关管（IGBT2）导通输出高电平，第二开关管（IGBT2）和第五开关管（IGBT5）导通输出中间电平，第八开关管（IGBT8）导通输出低电平，其余开关管关闭。
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