CN107196631A - 一种强制关断晶闸管的系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强制关断晶闸管的系统以及方法，系统包括：逆变器，电网的正输出端经由所述晶闸管连接逆变器的正输出端，电网的负输出端连接逆变器的负输出端，负载连接在逆变器的正输出端和负输出端之间；检测模块，用于检测负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv；晶闸管电流控制模块，分别与所述检测模块以及逆变器连接，用于在晶闸管门级触发脉冲消失后，根据检测模块实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv，调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断；本发明可以达到晶闸管门级触发信号消失后，晶闸管能快速关断的效果。

Description

一种强制关断晶闸管的系统以及方法

技术领域

本发明涉及电网领域，尤其涉及一种强制关断晶闸管的系统以及方法。

背景技术

晶闸管一种半控型功率半导体器件。当晶闸管承受正向压降，收到门级触发信号，且电流大于擎住电流时，晶闸管会导通。当门级触发信号消失后，晶闸管并不能自己关断，而是只有当流过晶闸管的电流小于擎住电流时，才会关断。在50Hz的交流电路的应用中，每10ms流过晶闸管的电流都会有一次过零，这意味着在50Hz的交流电路中应用的晶闸管，至多需要等待半个周期的时间，晶闸管才能关断。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种强制关断晶闸管的系统以及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种强制关断晶闸管的系统，包括：

逆变器，电网的正输出端经由所述晶闸管连接逆变器的正输出端，电网的负输出端连接逆变器的负输出端，负载连接在逆变器的正输出端和负输出端之间；

检测模块，用于检测负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv；

晶闸管电流控制模块，分别与所述检测模块以及逆变器连接，用于在晶闸管门级触发脉冲消失后，根据检测模块实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv，调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断。

优选的，所述晶闸管电流控制模块包括：

负载电流修正模块，用于将负载电流i_Load乘以一个修正系数K后输出；

电流差值计算模块，用于将负载电流修正模块输出的结果减去输出电流i_inv后输出；

电流控制器，用于根据电流差值计算模块的实时输出结果通过PWM发生器控制逆变器的输出电流i_inv与负载电流i_Load的符号相同，且逆变器的输出电流i_inv的绝对值大于等于负载电流i_Load的绝对值；

PWM发生器，用于将电流控制器的输出转换成一组PWM脉冲以驱动逆变器中的开关。

优选的，所述电流控制器为PI控制器或者滞环电流控制器。

优选的，所述晶闸管电流控制模块还包括：

3s/2s坐标变换模块，输入端连接检测模块，输出端分别连接负载电流修正模块和电流差值计算模块，用于将检测模块输出的负载电流i_Load以及输出电流i_inv从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系，并将负载电流i_Load的转换结果输送至负载电流修正模块，将输出电流i_inv的转换结果输送至电流差值计算模块；

2s/3s坐标变换模块，连接于电流控制器和PWM发生器之间，用于将电流控制器的输出从两相静止坐标系变换至三相静止坐标系后输送至PWM发生器。

优选的，所述晶闸管电流控制模块还包括：

PPL锁相环，用于根据电网电压确定旋转变换矢量角θ；

3s/2r坐标变换模块，输入端连接检测模块，输出端分别连接负载电流修正模块和电流差值计算模块，用于基于所述旋转变换矢量角θ，将检测模块输出的负载电流i_Load以及输出电流i_inv从三相静止坐标系变换至两相旋转坐标系，并将负载电流i_Load的转换结果输送至负载电流修正模块，将输出电流i_inv的转换结果输送至电流差值计算模块；

2r/3s坐标变换模块，连接于电流控制器和PWM发生器之间，用于基于所述旋转变换矢量角θ，将电流控制器的输出从两相旋转坐标系变换至三相静止坐标系后输送至PWM发生器。

其中，所述检测模块包括：负载电流检测器以及逆变器输出电流检测器。

优选的，所述负载电流检测器采用电流互感器或霍尔电流传感器，所述逆变器输出电流检测器采用电流互感器或霍尔电流传感器。

本发明还要求保护一种强制关断晶闸管的方法，包括：

检测模块检测负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv；

晶闸管电流控制模块在晶闸管门级触发脉冲消失后，根据检测模块实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv，调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断；

其中，晶闸管电流控制模块分别与所述检测模块以及逆变器连接，电网的正输出端经由所述晶闸管连接逆变器的正输出端，电网的负输出端连接逆变器的负输出端，负载连接在逆变器的正输出端和负输出端之间。

优选的，所述的调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断包括：

负载电流修正模块将负载电流i_Load乘以一个修正系数K后输出；

电流差值计算模块将负载电流修正模块输出的结果减去输出电流i_inv后输出；

电流控制器根据电流差值计算模块的实时输出结果通过PWM发生器控制逆变器的输出电流i_inv与负载电流i_Load的符号相同，且逆变器的输出电流i_inv的绝对值大于等于负载电流i_Load的绝对值，其中，PWM发生器用于将电流控制器的输出转换成一组PWM脉冲以驱动逆变器中的开关。

优选的，所述电流控制器为PI控制器或者滞环电流控制器。

实施本发明的强制关断晶闸管的系统以及方法，具有以下有益效果：本发明在晶闸管门级触发脉冲消失后，可以根据检测模块实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv调节逆变器的输出电流i_inv，以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断，总之本发明可以达到晶闸管门级触发信号消失后，晶闸管能快速关断的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明的强制关断晶闸管的系统的逻辑框图；

图2是本发明的强制关断晶闸管的系统的等效原理图；

图3是本发明应用于三相系统的结构示意图一；

图4是本发明应用于三相系统的结构示意图二；

图5是本发明应用于三相系统的结构示意图三。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，词语“相等”、“相同”“同时”或者其他类似的用语，不限于数学术语中的绝对相等或相同，在实施本专利所述权利时，可以是工程意义上的相近或者在可接受的误差范围内。词语“相连”或“连接”或者其他类似的用语，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明总的思路是：在晶闸管门级触发脉冲消失后，根据实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv，调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参考图1，本发明的强制关断晶闸管的系统包括：

逆变器20，电网的正输出端经由晶闸管连接逆变器的正输出端，电网的负输出端连接逆变器的负输出端，负载连接在逆变器的正输出端和负输出端之间；

检测模块10，用于检测负载电流i_Load、逆变器20的输出电流i_inv；具体的，所述检测模块10包括：检测负载电流i_Load的负载电流检测器以及检测输出电流i_inv的逆变器输出电流检测器。其中，所述负载电流检测器可以采用但不限于电流互感器或霍尔电流传感器，所述逆变器输出电流检测器可以采用但不限于电流互感器或霍尔电流传感器。

晶闸管电流控制模块30，分别与所述检测模块10以及逆变器20连接，用于在晶闸管门级触发脉冲消失后，根据检测模块10实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv，调节逆变器20的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断。

具体的，参考图2，V_s为电网电压。u₁是一个双向晶闸管(由两个晶闸管反并联组成)。图中，i_s是流过晶闸管的电流，i_Load是负载电流，i_inv是逆变器的输出电流。u₂是逆变器20的电感。S₁和S₂是逆变器20的全控型半导体开关，例如IGBT或者MOSFET。u₃、u₄是逆变器20的储能元件，例如电池或者电容。

由图2可知，流过晶闸管的电流i_s、负载电流i_Load和逆变器20的输出电流i_inv之间满足方程1所示的约束关系：

i_s＝i_Load-i_inv (1)

对比晶闸管关断的条件和方程(1)可知，当晶闸管门级触发脉冲消失后，只要控制逆变器20的电流i_inv，使得它与负载电流i_Load的符号相同，而且它的绝对值|i_inv|大于等于负载电流的绝对值|i_Load|，则流过晶闸管的电流i_s过零，晶闸管关断。因此，具体的，所述晶闸管电流控制模块30包括：

负载电流修正模块31，用于将负载电流i_Load乘以一个修正系数K后输出，即输出K*i_Load；此处是为了保证最终逆变器20的电流i_inv和负载电流i_Load的符号相同，而且还满足电流|i_inv|大于等于负载电流的绝对值|i_Load|。可以理解的是，负载电流修正模块既可以是纯软件模块，也可以是硬件模块，例如乘法器。

电流差值计算模块32，用于将负载电流修正模块31输出的结果K*i_Load减去输出电流i_inv后输出。可以理解的是，电流差值计算模块32既可以是纯软件模块，也可以是硬件模块，例如减法器。

PWM发生器34，用于将电流控制器的输出转换成一组互补的PWM脉冲以驱动逆变器中的开关S₁和S₂。

电流控制器33，用于根据电流差值计算模块32的实时输出结果K*i_Load-i_inv，通过PWM发生器34控制逆变器20的输出电流i_inv的符号等于负载电流i_Load的符号，且输出电流的i_inv绝对值大于等于负载电流i_Load的绝对值。

需要说明的是，电流控制器33可以是一个PI控制器，也可以是一个滞环电流控制器等，但不限于本文提及的两种控制器。由于电流控制器33的控制是一个快速的反馈调节的过程，所以可以达到快速关断晶闸管的效果。

图2中的逆变器20是一个单相半桥逆变器，可以理解的是，当逆变器20更换为单相全桥逆变器时，同样可以使用。

另外，本系统同样适用于三相电网系统，此时只需要针对每一相支路如图2所示进行设计即可。

参考图3，是直接采用三相静止坐标系的数据进行计算控制。参考图4、5，还可以将数据进行坐标系变化后进行计算控制，例如三相静止坐标系变换至两相静止坐标系或者两相旋转坐标系，图3-图5中，S₁和S₂、S₃和S₄、S₅和S₆分别是逆变器中逆变桥的三组桥臂的开关。

如图4中晶闸管电流控制模块还包括：

3s/2s坐标变换模块，输入端连接检测模块，输出端分别连接负载电流修正模块和电流差值计算模块，用于将检测模块输出的负载电流i_Load以及输出电流i_inv从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系，并将负载电流i_Load的转换结果输送至负载电流修正模块，将输出电流i_inv的转换结果输送至电流差值计算模块；

2s/3s坐标变换模块，连接于电流控制器和PWM发生器之间，用于将电流控制器的输出从两相静止坐标系变换至三相静止坐标系后输送至PWM发生器。

如图5中，晶闸管电流控制模块还包括：

PPL锁相环，用于根据电网电压u_sA、u_sB、u_sC确定旋转变换矢量角θ；

3s/2r坐标变换模块，输入端连接检测模块，输出端分别连接负载电流修正模块和电流差值计算模块，用于基于所述旋转变换矢量角θ，将检测模块输出的负载电流i_Load以及输出电流i_inv从三相静止坐标系变换至两相旋转坐标系，并将负载电流i_Load的转换结果输送至负载电流修正模块，将输出电流i_inv的转换结果输送至电流差值计算模块；

2r/3s坐标变换模块，连接于电流控制器和PWM发生器之间，用于基于所述旋转变换矢量角θ，将电流控制器的输出从两相旋转坐标系变换至三相静止坐标系后输送至PWM发生器。

基于同一发明构思，本发明还公开了一种强制关断晶闸管的方法，包括：

S100、检测模块检测负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv；

S200、晶闸管电流控制模块在晶闸管门级触发脉冲消失后，根据检测模块实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv，调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断；

其中，晶闸管电流控制模块分别与所述检测模块以及逆变器连接，电网的正输出端经由所述晶闸管连接逆变器的正输出端，电网的负输出端连接逆变器的负输出端，负载连接在逆变器的正输出端和负输出端之间。

其中，步骤S200中所述的调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断包括：

S210、负载电流修正模块将负载电流i_Load乘以一个修正系数K后输出；

S220、电流差值计算模块将负载电流修正模块输出的结果减去输出电流i_inv后输出；

S230、电流控制器根据电流差值计算模块的实时输出结果通过PWM发生器控制逆变器的输出电流i_inv的符号等于负载电流i_Load的符号，且输出电流的i_inv的绝对值大于等于负载电流i_Load的绝对值，其中，PWM发生器用于将电流控制器的输出转换成一组PWM脉冲以驱动逆变器中的开关。

综上所述，实施本发明的强制关断晶闸管的系统以及方法，具有以下有益效果：本发明在晶闸管门级触发脉冲消失后，可以根据检测模块实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv调节逆变器的输出电流i_inv，以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断，总之本发明可以达到晶闸管门级触发信号消失后，晶闸管能快速关断的效果。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种强制关断晶闸管的系统，其特征在于，包括：

逆变器，电网的正输出端经由所述晶闸管连接逆变器的正输出端，电网的负输出端连接逆变器的负输出端，负载连接在逆变器的正输出端和负输出端之间；

检测模块，用于检测负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv；

晶闸管电流控制模块，分别与所述检测模块以及逆变器连接，用于在晶闸管门级触发脉冲消失后，根据检测模块实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv，调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断。

2.根据权利要求1所述的强制关断晶闸管的系统，其特征在于，所述晶闸管电流控制模块包括：

负载电流修正模块，用于将负载电流i_Load乘以一个修正系数K后输出；

电流差值计算模块，用于将负载电流修正模块输出的结果减去输出电流i_inv后输出；

电流控制器，用于根据电流差值计算模块的实时输出结果通过PWM发生器控制逆变器的输出电流i_inv与负载电流i_Load的符号相同，且逆变器的输出电流i_inv的绝对值大于等于负载电流i_Load的绝对值；

PWM发生器，用于将电流控制器的输出转换成一组PWM脉冲以驱动逆变器中的开关。

3.根据权利要求2所述的强制关断晶闸管的系统，其特征在于，所述电流控制器为PI控制器或者滞环电流控制器。

4.根据权利要求2所述的强制关断晶闸管的系统，其特征在于，所述晶闸管电流控制模块还包括：

3s/2s坐标变换模块，输入端连接检测模块，输出端分别连接负载电流修正模块和电流差值计算模块，用于将检测模块输出的负载电流i_Load以及输出电流i_inv从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系，并将负载电流i_Load的转换结果输送至负载电流修正模块，将输出电流i_inv的转换结果输送至电流差值计算模块；

2s/3s坐标变换模块，连接于电流控制器和PWM发生器之间，用于将电流控制器的输出从两相静止坐标系变换至三相静止坐标系后输送至PWM发生器。

5.根据权利要求2所述的强制关断晶闸管的系统，其特征在于，所述晶闸管电流控制模块还包括：

PPL锁相环，用于根据电网电压确定旋转变换矢量角θ；

3s/2r坐标变换模块，输入端连接检测模块，输出端分别连接负载电流修正模块和电流差值计算模块，用于基于所述旋转变换矢量角θ，将检测模块输出的负载电流i_Load以及输出电流i_inv从三相静止坐标系变换至两相旋转坐标系，并将负载电流i_Load的转换结果输送至负载电流修正模块，将输出电流i_inv的转换结果输送至电流差值计算模块；

2r/3s坐标变换模块，连接于电流控制器和PWM发生器之间，用于基于所述旋转变换矢量角θ，将电流控制器的输出从两相旋转坐标系变换至三相静止坐标系后输送至PWM发生器。

6.根据权利要求1所述的强制关断晶闸管的系统，其特征在于，所述检测模块包括负载电流检测器以及逆变器输出电流检测器。

7.根据权利要求6所述的强制关断晶闸管的系统，其特征在于，所述负载电流检测器采用电流互感器或霍尔电流传感器，所述逆变器输出电流检测器采用电流互感器或霍尔电流传感器。

8.一种强制关断晶闸管的方法，其特征在于，包括：

检测模块检测负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv；

晶闸管电流控制模块在晶闸管门级触发脉冲消失后，根据检测模块实时检测到的负载电流i_Load、逆变器的输出电流i_inv，调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断；

其中，晶闸管电流控制模块分别与所述检测模块以及逆变器连接，电网的正输出端经由所述晶闸管连接逆变器的正输出端，电网的负输出端连接逆变器的负输出端，负载连接在逆变器的正输出端和负输出端之间。

9.根据权利要求8所述的强制关断晶闸管的方法，其特征在于，所述的调节逆变器的输出电流i_inv以使得流过晶闸管的电流i_s过零从而使晶闸管关断包括：

负载电流修正模块将负载电流i_Load乘以一个修正系数K后输出；

电流差值计算模块将负载电流修正模块输出的结果减去逆变器的输出电流i_inv后输出；

电流控制器根据电流差值计算模块的实时输出结果通过PWM发生器控制逆变器的输出电流i_inv与负载电流i_Load的符号相同，且逆变器的输出电流i_inv的绝对值大于等于负载电流i_Load的绝对值，其中，PWM发生器用于将电流控制器的输出转换成一组PWM脉冲以驱动逆变器中的开关。

10.根据权利要求9所述的强制关断晶闸管的方法，其特征在于，所述电流控制器为PI控制器或者滞环电流控制器。