CN104767368A - 一种高可靠的三电平逆变电路限流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高可靠的三电平逆变电路限流控制方法，针对逆变电路多种带载形式，尤其是带纯容性负载的最恶劣条件，通过对输出电压、电感电流获得有效信息，通过判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内、电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内且电流变化率是否在安全范围之内或者输出电压值是否在安全范围之内，来启动过流保护控制。上述三个有效过流的条件只要满足其中一个，就启动过流保护控制，本发明给出所述三电平逆变电路有效过流的条件和退出保护的控制方法，可有效降低开关管关断时的应力，使该型逆变电路的限流保护更有效更安全。

Description

一种高可靠的三电平逆变电路限流控制方法

技术领域

本发明涉及一种高可靠限流触发及限流恢复的逆变电路保护方法，尤其涉及一种二极管中点箝位型三电平逆变限流保护方法。

背景技术

为提高效率、降低硬件电路中磁性材料的体积和重量、减少EMI对策，逆变电路从桥式两电平逐渐发展到三电平。三电平逆变电路主要包含飞跨电容型、二极管中点箝位型两种。由于飞跨电容型三电平电路所需的电容耐压值较高，不利于优化整体重量和体积；另外电容存在容值差异，易导致正负母线不均衡，以上原因使二极管中点钳位型三电平逆变电路广泛应用在不间断电源、光伏逆变器、车载控制器等应用场合。

相对于两电平逆变电路，二极管箝位型三电平逆变电路的由开关器件QP1、QP2、QN1、QN2、DX1、DX2(QP1、QP2、QN1、QN2一般采用IGBT，DX1、DX2一般采用快恢复二极管)构成，附图1为该型逆变电路的电路示意图，其限流动作方式和判断条件复杂的多。为避免开关器件因过流而烧毁，最简单的是当开关管上的电流过大时将其驱动关断，让电流自然降落。但这种关断方式一般会引起开关管应力过大，并且三电平逆变电路中不止一个开关器件工作，强硬关断所有驱动也非最佳选择，合适采用动作方式和限流方法是该逆变电路保护的核心。

专利文件1(中国专利申请号201210349131.1)给出了一种基于二极管箝位型三电平逆变电路的限流方式，但由于逆变电路的输出负载形式多样，并未给出有效判断过流的条件和退出保护的方法，不具有高可靠性。

专利文献2(中国专利申请号201410360242.1)针对电感电流采样延时造成的电流过冲而烧毁开关管，给出一种基于电感电流采样、电感电压采样获得瞬投负载冲击信号，从而对二极管箝位型三电平逆变器进行限流保护，但该种方案的缺陷在于增加了电感电压的采样单元，增加了硬件成本投入成本，另外采用该专利可避免电感电流采样延时对限流的影响也没有进行详细阐述。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种高可靠的三电平逆变电路限流控制方法，对逆变电路多种带载形式，尤其是带纯容性负载的最恶劣条件，通过对输出电压、电感电流两个逆变控制必须检测的物理量，获得有效信息进行判断有效过流的条件和退出保护的方法，不增加额外的硬件逻辑处理电路，从软件控制上提出一种限流方式，可有效降低开关管关断时的应力，使该型逆变电路的限流保护更有效更安全。

本发明具体通过如下技术方案实现：

一种高可靠的二极管箝位型三电平逆变电路限流控制方法，所述电路包括依次串联的四个开关管构成的桥臂，其中与正母线相连的QP1为正向主控开关管，与正母线相连的开关管支路中内侧的QP2为正向辅助开关管，与负母线相连的QN1为负向主控开关管，与负母线相连的开关管支路中内侧的QN2为负向辅助开关管，在正常工作模式下，所述QP1和QN2互补导通，QP2和QN1互补导通；所述方法包括：

S101：判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内，若否，则执行步

骤S105，若是，则执行步骤S102；

S102：判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内且电流变化率是否

在安全范围之内，若否，则执行步骤S105，若是，则执行步骤S103；

S104：判断输出电压值是否在安全范围之内，若否，则执行步骤S105，

若是，则执行步骤S106；

S105：限流标志位置为高位；

S106：逆变控制，计算出应发出的PWM脉宽；

S107：判断限流标志位置是否为高位，若限流标志位置为高位，则先关

断正向主控开关管和负向主控开关管，延时deltaT后关断正向辅助开关

管和负向辅助开关管；当电流瞬时值小与恢复电流门限值时，先恢复正

向辅助开关管和负向辅助开关管，再恢复正向主控开关管和负向主控开

关管；清除限流标志位置，恢复所述三电平逆变电路的控制，执行步骤

S108；若限流标志位置不为高位，则执行步骤S108；

S108：输出计算出的应发出的PWM脉宽。

本发明的有益效果是：本发明提供的高可靠的三电平逆变电路限流控制方法，针对逆变电路多种带载形式，尤其是带纯容性负载的最恶劣条件，通过对输出电压、电感电流获得有效信息，通过判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内、电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内且电流变化率是否在安全范围之内或者输出电压值是否在安全范围之内，来启动过流保护控制。上述三个有效过流的条件只要满足其中一个，就启动过流保护控制，本发明给出所述三电平逆变电路有效过流的条件和退出保护的控制方法，可有效降低开关管关断时的应力，使该型逆变电路的限流保护更有效更安全。

附图说明

图1是二极管箝位型三电平逆变电路图；

图2是二极管箝位型三电平逆变电路正常工作时各开关管驱动波形；

图3是电感电流变化曲线图；

图4是保护动作1时保护异常的示意图；

图5是保护动作2时纯容性负载保护异常的示意图；

图6是保护动作3时正半周限流保护及限流恢复驱动波形图；

图7是本发明方法限流保护及限流恢复的控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如附图1所示，本发明针对的二极管箝位型三电平逆变电路由正母线+BUS、正向母线支撑电容C1、负母线-BUS、负母线支撑电容C2、正向开关管QP1、QP2(DP1、DP2分别为其寄生二极管)，负向开关管QN1、QN2(DN1、DN2分别为其寄生二极管)，续流二极管DX1、DX2开关器件以及滤波电感L、滤波电容C_L构成。

信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4分别为各开关管QP1、QP2、QN1、QN2的驱动信号，各驱动逻辑如附图2所示。其中QP1为正向主控开关管，以下简称正向主管；QP2为正向辅助开关管，以下简称正向辅管；QN1为负向主控开关管，以下简称负向主管；QN2为负向辅助开关管，以下简称负向辅管。从附图2可以看出在正常三电平逆变工作模式下，QP1和QN2互补导通，QP2和QN1互补导通，且由于是桥式电路结构互补导通信号之间存在一定的死区时间，防止整个桥臂直通。

逆变电路有效限流触发条件：

(1)硬限流点：硬限流点不能超过IGBT脉冲电流参数(I_Cpuls)，即IGBT瞬间能承受的电流值，工程上一般取该值的60-70％作为硬限流点。当电感电流瞬时采样值超过硬限流点将触发限流条件。

(2)逆变电流斜率预测：对该逆变电路的软件A/D采样进行设置，如附图3所示。其中sample1和sample3是逆变器控制时间进行的采样值，利用内部时钟的下溢中断对逆变控制在一个控制周期内进行两次采样，即采样值sample2和sample4，可以实现一个控制周期两次采样，以此作为控制器电感电流的斜率预测基础。

当电感电流瞬间采样值超过开关管额定电流的1.2倍时，且比上次采样值大detaI时，逆变电流斜率预测条件触发。

其中deatI电流值计算公式如下：

U＝L*detaI/t        (1)

U＝U_inv-U_out        (2)式(1)中U为加在电感上的电压，它的值可由等式(2)计算，即逆变输出电压U_inv与负载电压U_out的差值；L为逆变电感的感值，t为两次采样之间的时间间隔。

举例：若IGBT采用型号为英飞凌IKW75N60T，其额定电流为75A，控制周期为50us，滤波电感感值为500uH，逆变电流斜率预测触发条件为sample>90A且detaI>10A。

当该二极管箝位型三电平逆变电路输出负载为纯阻性、感性、RCD负载时，以上两个限流触发条件即可满足，当逆变电路的负载为纯C载时，还需要增加以下条件。

(3)输出电压预测

当逆变电路带纯C载，输出电压和电流剧烈变化，可利用输出电压异常信息来预测逆变电流将急剧上升。

判定依据：若带载瞬间输出电压被拉反向，即逆变输出为正向半周时，由于负载较重，输出电压瞬间可被拉向负半周；或者逆变输出为负半周，瞬投C载时被拉向正半周。在输出电压被拉反的同时，逆变电流很快就会超过电流限制。反向电压超过一个阈值Vth，就认为此时逆变电路处于异常状态，需要触发限流保护条件。

Vth值的选择不能过低或者过高，对于230V额定输出电压，当逆变工作在正半周区间(负半周区间)，检测输出电压小于-50V(大于50V)，则判定触发限流保护条件。

二极管箝位型三电平逆变电路限流动作方式有三种：(1)关闭四个驱动；(2)关闭主管并打开辅管；(3)关闭主管延时关断主管。

动作1在符合限流条件后，同时关闭QP1、QP2、QN1、QN2，操作方法简单，但存在不足。若关闭驱动瞬间，附图1中A点电压波动受滤波电感影响，导致其波动严重可能导致中间两辅管QP2、QN2应力超标。例如在正半周发生了限流保护，如附图4所示，此时各开关管的开关状态为：QP1导通，QN2互补关断，QP2常通，QN1常断时，电感电流为正向。根据动作1限流发生时所有驱动被拉低，但开关管因个体差异和走线干扰并未同时关断，出现QP2先断QP1后断开的情况。则QP2的集电极电位被限制到+BUS，A点电压由于电流续流被钳制到-BUS，加上杂散电感的因素，瞬间QP2的C、E间承受的电压会超过该管的最大耐压值，则会出现开关管炸毁限流失败的情况。当限流保护发生在负半周时，采用限流保护动作2也会出现开关管应力超过最大耐压值而导致炸毁的情况，这里不再赘述。

动作2在侦测到限流触发事件后，关断主管同时打开辅管。相比动作1，不论此时电流方向如何，由于辅管导通，A点电压被箝位到0，所有开关管不存在应力风险。但此种方式在投纯C载(突然增加纯容性负载)时存在限流风险。假设投载(突然带负载)前负载电容上残留有负电压且投载瞬间输出在正周峰值，投载后输出被拉反与C上电压一致。此时逆变电感会出现很大电流，触发限流条件后虽然关闭主管、打开辅管，但输出为负，会形成附图5中GND→DX1→QP2→L→负载C的电路回路，由于负载C上能量很大，电感电流仍会继续上升，最终损坏QP2，无法避免该种风险。

动作3改善了动作2的不足，限流条件触发后，先关闭主管再等待detaT后将辅管关断。如附图6所示为正半周时，采用限流动作3的各开关管的从限流发生到限流恢复的驱动波形图。当限流发生时，此时各开关管的开关状态为：QP1导通，QN2互补关断，QP2常通，QN1常断。在限流发生时，限流标志位置位，先关闭主管QP1、QN1，延时detaT时间后将辅管QP2、QN2；当过流情况消失后，先释放辅管，恢复QP2和QN2限流前的工作状态再释放主管QP1、QN1，最后清除限流标志位。当限流保护发生在负半周时，情况与正半周处理相同，在此不再赘述。

detaT的计算方法如下：

由于主管关闭，电感上的能量将转移到电容上进行充电。则有以下公式成立：

U_C＝L*detaI/detaT      (3)

$\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_C^2=\frac{1}{2}{L\det \mathrm{al}}^2---\left(4\right)$

其中U_C为容性负载上，L为逆变电感感量，detaI为电感电流的变化量，C为负载C的容值。可以计算出延迟时间detaT，一般该延迟时间为几个微秒。

过流恢复条件为电感电流小于IGBT额定电流，此时清除限流触发标志位。

本发明的三电平逆变电路限流控制方法的限流保护及限流恢复驱动的流程如附图7所示，包括：

判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内，若否，则限流标志位置为高位；

判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内且电流变化率是否在安全范围之内，若否，则限流标志位置为高位；

判断输出电压值是否在安全范围之内，若否，则限流标志位置为高位；

以上三个判断步骤的顺序可以变换，三个判断步骤执行完毕后都在安全范围之内，则进行逆变控制，计算出应发出的PWM脉宽；

若限流标志位置为高位，则先关断正向主控开关管和负向主控开关管，延时deltaT后关断正向辅助开关管和负向辅助开关管；

当电流瞬时值小与恢复电流门限值时，先恢复正向辅助开关管和负向辅助开关管，再恢复正向主控开关管和负向主控开关管；

清除限流标志位置，恢复所述三电平逆变电路的控制，输出计算出的应发出的PWM脉宽。

本发明的限流控制方法可有效保护开关管工作在安全区域。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高可靠的三电平逆变电路限流控制方法，所述方法应用于二极管箝位型三电平逆变电路，所述电路包括依次串联的四个开关管构成的桥臂，其中与正母线相连的QP1为正向主控开关管，与正母线相连的开关管支路中内侧的QP2为正向辅助开关管，与负母线相连的QN1为负向主控开关管，与负母线相连的开关管支路中内侧的QN2为负向辅助开关管，在正常工作模式下，所述QP1和QN2互补导通，QP2和QN1互补导通；其特征在于，所述方法包括：

S101：判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内，若否，则执行步骤S104，若是，则执行步骤S102；

S102：判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内且电流变化率是否在安全范围之内，若否，则执行步骤S104，若是，则执行步骤S103；

S103：判断输出电压值是否在安全范围之内，若否，则执行步骤S104，若是，则执行步骤S105；

S104：限流标志位置为高位；

S105：逆变控制，计算出应发出的PWM脉宽；

S106：判断限流标志位置是否为高位，若限流标志位置为高位，则先关断正向主控开关管和负向主控开关管，延时deltaT后关断正向辅助开关管和负向辅助开关管；当电流瞬时值小与恢复电流门限值时，先恢复正向辅助开关管和负向辅助开关管，再恢复正向主控开关管和负向主控开关管；清除限流标志位置，恢复所述三电平逆变电路的控制，执行步骤

S107；若限流标志位置不为高位，则执行步骤S108；

S108：输出计算出的应发出的PWM脉宽。

2.根据权利要求1所述的限流控制方法，其特征在于：所述判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内具体为：所述电感电流瞬时采样值小于或等于硬限流点，则在安全范围之内，大于硬限流点，则不在安全范围之内。

3.根据权利要求2所述的限流控制方法，其特征在于：所述硬限流点不能超过IGBT脉冲电流参数，即IGBT瞬间能承受的电流值，工程上一般取该参数的60-70％作为硬限流点。

4.根据权利要求1所述的限流控制方法，其特征在于：所述判断电感电流瞬时采样值是否在安全范围之内且电流变化率是否在安全范围之内具体为：当所述电感电流瞬间采样值超过开关管额定电流的1.2倍，且比上次采样值大detaI时，则不在安全范围之内；其中deatI计算公式如下：

U＝L*detaI/t

U＝U_inv-U_out

U为加在电感上的电压，即逆变输出电压U_inv与负载电压U_out的差值；

L为逆变电感的感值，t为两次采样之间的时间间隔。

5.根据权利要求1所述的限流控制方法，其特征在于：所述判断输出电压值是否在安全范围之内具体为：若带载瞬间输出电压被拉反向，即逆变输出为正向半周时，输出电压瞬间被拉向负半周，此时，输出电压小于阈值Vth1，就认为逆变电路处于异常状态，需要触发限流保护条件；或者逆变输出为负半周，输出电压瞬间被拉向正半周，此时，此时，输出电压大于阈值Vth2，就认为逆变电路处于异常状态，需要触发限流保护条件。

6.根据权利要求5所述的限流控制方法，其特征在于：对于230V额定输出电压，当逆变工作在正半周区间时，Vth1值为-50V，当逆变工作在负半周区间时，Vth2值为50V。

7.根据权利要求1所述的限流控制方法，其特征在于：由于主管关闭，电感上的能量将转移到电容上进行充电，detaT的计算方法如下：

U_C＝L*detaI/detaT

$\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_C^2=\frac{1}{2}{L\det \mathrm{aI}}^2$

其中U_C为容性负载上的电压，L为逆变电感感量，detaI为电感电流的变化量，C为容性负载的容值。