CN110474550B - 一种飞跨电容型npc三电平拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种飞跨电容型NPC三电平拓扑，包括：两个半母线电容和至少一个桥臂，桥臂包括：飞跨电容、两个内管单元、两个外管单元以及两个箝位二极管；其中，飞跨电容的容值大于特定值。由于飞跨电容对两个内管单元有箝位作用，而且飞跨电容的容值较大，无论发生何种短路故障，其电压波动均不会导致开关管过压，从而避免开关管单元过压损坏，进一步的提高电路安全性。

Description

一种飞跨电容型NPC三电平拓扑
技术领域
本发明属于电路短路保护技术领域，更具体的说，尤其涉及一种飞跨电容型NPC三电平拓扑。
背景技术
目前，三电平拓扑由于其每个开关管的电压应力仅是输入电压的一半，同时能有效的减小谐波含量，提高输出波形质量，因此，在新能源发电、轨道交通等较高输入电压的场合中，得到广泛应用。
NPC(Neutral Point Clamp，二极管箝位型)三电平拓扑是最经典且应用范围最广的一种三电平拓扑。参见图1，一个NPC三电平桥臂由四个逆导型开关管和两个箝位二极管组成，逆导型开关管S1、S4为外管，逆导型开关管S2、S3为内管。逆导型开关管可以是MOSFET或带反并二极管的IGBT。电容Cd1和Cd2串联，将输入电压Vin二等分。逆导型开关管S1、S4分别由箝位二极管Dc1、Dc2箝位到电容Cd1和Cd2两端，因此外管S1和S4的电压不会超过Vin/2。NPC三电平拓扑对内管S2和S3无箝位作用，需要通过外管滞后于内管开通、领先于内管关断的逻辑来确保内管电压不超过Vin/2。
但是，在NPC三电平拓扑发生短路时，正常工作时的开关逻辑被破坏，NPC三电平拓扑对内管无箝位作用，可能导致内管会过压损坏，进而导致整个桥臂乃至整个电路损坏。NPC三电平拓扑无法对所有短路情况实现有效保护，且内管发生短路后，必须延时一段时间才能关断，这增加了开关管损坏的可能性，使得电路的安全性低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种飞跨电容型NPC三电平拓扑，用于降低开关管过压损坏的可能性，提高电路的安全性。
本发明公开了一种飞跨电容型NPC三电平拓扑，包括：两个半母线电容和至少一个桥臂；其中：
所述桥臂包括：飞跨电容、两个内管单元、两个外管单元以及两个箝位二极管；
所述飞跨电容的容值大于等于特定值；
两个半母线电容是相同的电容，两个箝位二极管是相同的二极管。
可选的，两个半母线电容串联连接，两个箝位二极管串联连接；两个箝位二极管的连接点与两个半母线电容的连接点相连；
两个半母线电容串联后的一端，作为所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极，在所述桥臂内通过一个外管单元连接一个内管单元的一端、所述飞跨电容的一端以及两个箝位二极管串联后的阴极；
两个半母线电容串联后的另一端，作为所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧负极，在所述桥臂内通过另一个外管单元连接另一个内管单元的一端、所述飞跨电容的另一端以及两个箝位二极管串联后的阳极；
两个内管单元的连接点作为所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的一个交流侧端口。
可选的，所述特定值为Isc*Tsc/(Kprt*V(BR)DSS-Vin_max/2)；
其中，Isc为短路期间的平均短路电流，Tsc为短路持续时间，V(BR)DSS为开关管单元中开关管的击穿电压，Vin_max为最大输入电压，Kprt为保险系数。
可选的，所述内管单元和所述外管单元均包括：短路检测单元、控制开关、隔离驱动单元和开关管；
所述短路检测单元，用于在检测到所述开关管发生短路之后，生成故障信号并发送至所述控制开关；
所述控制开关，用于接收到所述短路检测单元发送的所述故障信号时，控制所述开关管关断，并在接收到所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的微控制单元MCU发送的禁止或使能的驱动信号时，输出相应的驱动信号至所述隔离驱动单元；
所述隔离驱动单元，用于根据相应的驱动信号控制所述开关管关断或闭合。
可选的，所述短路检测单元在检测到所述开关管发生短路之后，还用于：将所述故障信号发送至所述MCU，使所述MCU输出禁止的驱动信号至各个控制开关，进而通过相应隔离驱动单元关断相应开关管。
可选的，还包括：故障封波单元；
所述短路检测单元在检测到所述开关管发生短路之后，还用于：将所述故障信号发送至所述故障封波单元，使所述故障封波单元输出禁止的驱动信号至各个控制开关，进而通过相应隔离驱动单元关断相应开关管。
可选的，所述故障封波单元还用于向所述MCU发送所述故障信号。
可选的，还包括：电压管理电路；
所述电压管理电路，用于在所述飞跨电容型三电平拓上电之后，为所述飞跨电容充电。
可选的，所述电压管理电路包括：充电支路和充电驱动单元；
所述充电驱动单元，用于在所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的MCU满足预设条件时，控制所述充电支路为所述飞跨电容充电；
所述充电支路的一端与所述飞跨电容相连，所述充电支路的另一端与所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极或直流侧负极相连。
可选的，所述预设条件为：所述飞跨电容型NPC三电平拓扑处于上电后的预设时间内；
所述预设时间大于所述充电支路时间常数的三倍。
可选的，所述电压管理电路，还包括：采样单元，用于对所述飞跨电容两端的电压进行采样，并将采样到的所述飞跨电容两端的电压发送至所述MCU；
所述预设条件为：所述飞跨电容两端的电压处于[(1-k)Vin/2，(1+k)Vin/2]之外，或者，所述飞跨电容两端的电压小于等于(1-k)Vin/2；
其中，Vin为所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧输入电压，k为飞跨电容电压的启机系数。
可选的，所述充电支路包括：电阻和可控开关；
所述电阻和所述可控开关串联；
所述可控开关的控制端与所述充电驱动单元的输出端相连。
可选的，若所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的桥臂为偶数个，则：
一半数量的桥臂中的充电支路，设置于所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极与相应飞跨电容之间；
另一半数量的桥臂中的充电支路，设置于所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧负极与相应飞跨电容之间。
可选的，在打嗝封波期间，两个外管单元中的一个恒定导通。
从上述技术方案可知，在本发明提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑中，包括：两个半母线电容和至少一个桥臂，桥臂包括：飞跨电容、两个内管单元、两个外管单元以及两个箝位二极管；其中，飞跨电容的容值大于特定值。由于飞跨电容对两个内管单元有箝位作用，而且飞跨电容的容值较大，无论发生何种短路故障，其电压波动均不会导致开关管过压，从而避免开关管单元过压损坏，进一步的提高电路安全性。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术提供的一种NPC三电平拓扑的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑中开关管单元的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑中故障封波单元的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑中电压管理单元的示意图；
图6是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑中另一电压管理单元的示意图；
图7a是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑中另一电压管理单元的示意图；
图7b是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑中另一电压管理单元的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑中采样单元的示意图；
图9是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑的另一示意图；
图10是现有技术提供的一种NPC三电平拓扑打嗝期间各个开关管单元的波形图；
图11是本发明实施例提供的一种飞跨电容型NPC三电平拓扑打嗝期间各个开关管单元的波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明实施例公开了一种飞跨电容型NPC三电平拓扑，以解决无法对所有短路情况实现有效保护，且内管发生短路后，必须延时一段时间才能关断，增加开关管损坏的可能性，进而电路的安全性低的问题。
参见图2，该飞跨电容型NPC三电平拓扑，包括：两个半母线电容(第一电容Cd1、第二电容Cd2)和至少一个桥臂210；桥臂210包括：两个箝位二极管(第一二极管Dc1、第二二极管Dc2)、两个外管单元(第一开关管单元S1、第四开关管单元S4)、两个内管单元(第二开关管单元S2、第三开关管单元S)和飞跨电容Css。
第一电容Cd1的一端与第一开关管单元S1的一端连接，连接点作为飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极。第一电容Cd1的另一端分别与第二电容Cd2的一端、第一二极管Dc1的阳极和第二二极管Dc2的阴极连接。
第二电容Cd2的另一端与第四开关管单元S4的一端连接，连接点作为飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧负极。因此，第一电容Cd1和第二电容Cd2将直流侧输入电压二等分，第一电容Cd1和第二电容Cd2两端的电压均为直流侧输入电压的一半。
飞跨电容Css的一端分别与第一二极管Dc1的阴极、第一开关管单元S1的另一端以及第二开关管单元S2的一端连接。飞跨电容Css的另一端分别与第二二极管Dc2的阳极、第四开关管单元S4的另一端以及第三开关管单元S3的一端连接。所以，飞跨电容Css将第二开关管单元S2和第三开关管单元S3的电压箝位为直流侧输出电压的一半。
因此，不再要求外管单元先于内管单元关断，如检测到第二开关管单元S2发生短路，则第二开关管单元S2立即关断，无需等待第一开关管单元S1关断之后再关断。其中，将第一开关管单元S1和第四开关管单元S4视为外管单元，将第二开关管单元S2和第三开关管单元S3视为内管单元。
第二开关管单元S2的另一端与第三开关管单元S3的另一端连接，连接点作为飞跨电容型NPC三电平拓扑的一个交流侧端口。
其中，飞跨电容Css的容值大于等于特定值，第一电容Cd1和第二电容Cd2是相同的电容，第一二极管Dc1和第二二极管Dc2是相同的二极管，第一开关管单元S1、第二开关管单元S2、第三开关管单元S3和第四开关管单元S4是相同的开关管单元。
飞跨电容Css的容值大于特定值，以保证在外管单元发生短路故障时，其电压不超过内管单元的击穿电压；在内管单元发生短路故障时，直流侧输入电压与其电压的差值不超过外管单元的击穿电压。
在实际应用中，上述特定值可以是Isc*Tsc/(k*V(BR)DSS-Vin_max/2)。其中，Isc为短路期间的平均短路电流，Tsc为短路持续时间，V(BR)DSS为开关管单元中开关管的击穿电压，Vin_max为最大输入电压，k为保险系数。
当然，该特定值还可以是大于通过该公式Isc*Tsc/(k*V(BR)DSS-Vin_max/2)计算得到的数值的任一值，具体以实际飞跨电容型NPC三电平拓扑的使用场景确定，均在本申请的保护范围内。
短路持续时间指从开关管发生短路故障到完全切除故障所需的时间，以开关管电流的大小为计算标准。具体的，发生短路故障之前，开关管的电流等于零或者等于正常工作的电流；短路故障期间，开关管的电流急剧增加，短路检测单元检测到短路故障，使开关管关断，开关管电流逐渐减小到零，因此短路持续时间可以指开关管电流开始急剧增加到减小到零的时间。该短路持续时间与短路检测单元、故障封波单元和隔离驱动等单元的反应速度有关，需根据实际情况确定。
为保证开关管不因短路故障损坏，当所用开关管为MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半场效晶体管)时，短路持续时间应当小于3us，当所用开关管为IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)时，短路持续时间应小于10us。
Isc为短路持续时间内开关管的平均电流，也近似等于飞跨电容Css的平均电流，因此，可以将开关管的平均电流作为飞跨电容Css的平均电流。
具体的，得到特定值为Isc*Tsc/(k*V(BR)DSS-Vin_max/2)的推导过程如下：
发生短路时，飞跨电容Css的电压的计算公式：
△U＝Isc*Tsc/Cs， (1)
其中，△U为飞跨电容Css的电压变化量，Cs为飞跨电容Css的容值。
为避免开关管单元中的开关管过压损坏，所以△U应满足下面的关系：
△U<＝k*V(BR)DSS-Vin_max/2， (2)
其中，V(BR)DSS为开关管单元中开关管的击穿电压，k的一般取值在70％～90％范围内。
结合公式(1)和(2)，得到Cs>＝Isc*Tsc/(k*V(BR)DSS-Vin_max/2)，因此，特定值为Isc*Tsc/(k*V(BR)DSS-Vin_max/2)。
需要说明的是，由于寄生电感的存在，开关管单元在关断时，其承受的最大电压值会大于飞跨电容Css的电压值，因此，飞跨电容Css的容值在设计时应留有一定裕量，以保证开关管不会过压损坏。
在本实施例中，将第一开关管单元S1和第四开关管单元S4视为外管单元，并将第二开关管单元S2和第三开关管单元S3视为内管单元。在此，将分别对内管单元和/或外管单元中任一开关管单元故障而发生短路时，飞跨电容三电平拓扑的保护过程，如下：
在内管单元中任一开关管单元故障而发生短路时，飞跨电容Css进行充电或放电以及二极管的箝位作用，以避免任一开关管单元过压损坏。例如：在第一开关管单元S1和第二开关管单元S2导通期间，第三开关管单元S3因其驱动信号受干扰而误导通，此时飞跨电容型NPC三电平拓扑发生短路，因此，飞跨电容Css被第二开关管单元S2和第三开关管单元S3短路，飞跨电容Css经第二开关管单元S2和第三开关管单元S3放电，飞跨电容Css的电压减小。
此时，第二二极管Dc2将第四开关管单元S4的电压箝位至第二电容Cd2的两端，即第四开关管单元S4的电压保持为直流侧输入电压的一半，因此第四开关管单元S4的电压不至于将其击穿。
在外管单元中任一开关管单元故障而发生短路时，飞跨电容Css进行充电或放电，以避免任一开关管单元过压损坏。例如：在第一开关管单元S1和第二开关管单元S2导通期间，第四开关管单元S4因驱动信号受干扰而误导通，此时，飞跨电容型NPC三电平拓扑发生短路，因此，飞跨电容Css经第一开关管单元S1和第四开关管单元S4短路到直流侧正极和负极，飞跨电容Css进行充电，也就是说飞跨电容Css的电压增大。第三开关管单元S3的电压等于飞跨电容的电压，且飞跨电容的容值大于特定值，以保证飞跨电容的电压不会超过开关管的击穿电压。
引入飞跨电容Css不但可以在拓扑正常运行时将内管单元的电压箝位于输入电压的一半，在拓扑发生短路故障时还可以保证内管电压不会过压损坏；另外，还可以平衡第一电容Cd1和第二电容Cd2的电压，减小内管单元的开关回路，降低关断时的电压尖峰的作用。
需要说明的是，在第一开关管单元S1、第二开关管单元S2、第三开关管单元S3和第四开关管单元S4均正常运行时，飞跨电容Css两端的电压为直流侧输入电压的一半。
还需要说明的是，由于飞跨电容Css的电压会随开关管单元发生短路而发生变化，因此，可以通过检测飞跨电容Css的电压来判断飞跨电容型NPC三电平拓扑是否发生短路。具体的，当飞跨电容Css的电压不处于预设范围内时，则说明飞跨电容型NPC三电平拓扑发生短路。
在本实施例中，可以按照参与短路的开关管单元的不同，将短路情况分为5种，这5种情况又可以分为内管短路、外管短路和桥臂直通3类，如表1所示，如下：
表1短路类型与短路情况的对应关系
Figure BDA0002174182280000091
短路类型为内管短路时，飞跨电容Css经第二开关管单元S2和第三开关管单元S3放电。短路类型为外管短路时，直流侧输入电源经第一开关管单元S1和第四开关管单元S4给飞跨电容Css充电。短路类型为桥臂直通时，飞跨电容Css既存在充电回路又存在放电回路，电压偏向不确定，但其电压值必定低于外管短路时的电压值，且高于内管短路时的电压值。
由于飞跨电容Css的容值大于特定值，当发生内管短路、外管短路或桥臂直通时，飞跨电容Css电压的变化不会造成任一个开关管单元过压损坏。而且，飞跨电容Css电压充当内管的箝位电压，因此无论是内管短路、外管短路或桥臂直通，故障的开关管单元均立即关断，不要求外管单元领先内管单元关断。
需要说明的是，上述是以NPC三电平拓扑为例，在其基础之上，增加飞跨电容Css，实际应用中也可以在ANPC三电平拓扑基础之上增加飞跨电容Css，其工作过程和原理与上述飞跨电容型NPC三电平拓扑相同，因此，ANPC三电平拓扑基础之上增加飞跨电容Css的飞跨电容型NPC三电平拓扑及相应的执行过程和原理，也在本申请的保护范围之内。
在本实施例中，飞跨电容Css对第二开关管单元S2和第三开关管单元S3有箝位作用，且飞跨电容Css的电容大于特定值，因此飞跨电容Css的电压不会造成任一个开关管单元过压损坏，进而若第二开关管单元S2或第三开关管单元S3任一个发生短路，第二开关管单元S2或第三开关管单元S3不会过压击穿，从而避免开关管单元过压损坏，进一步的提高电路安全性。
可选的，在上述本发明实施例图2中所涉及的第一开关管单元S1、第二开关管单元S2、第三开关管单元S3和第四开关管单元S4中的每个开关管单元，参见图3，包括：短路检测单元310、控制开关320、隔离驱动单元330和开关管340。
短路检测单元310，用于在检测到开关管340发生短路之后，生成故障信号并发送至控制开关320。
控制开关320，用于接收到短路检测单元310发送的故障信号时，控制开关管340关断，并在接收到飞跨电容型NPC三电平拓扑的微控制单元MCU发送的禁止或使能的驱动信号时，输出相应的驱动信号至隔离驱动单元330。
隔离驱动单元330，用于根据相应的驱动信号控制开关管340关断或闭合。
具体的，短路检测单元310检测到开关管340发生短路之后，其生成故障信号并发送至控制开关320的控制端，控制开关320的控制端接收到故障信号后，控制开关320控制开关管340关断。
同时，若控制开关320接收到飞跨电容型NPC三电平拓扑的微控制单元MCU发送的禁止或使能的驱动信号时，则控制开关320输出相应的驱动信号至隔离驱动单元330，隔离驱动单元330接收到相应的驱动信号后，控制开关管340关断或闭合。
需要说明的是，隔离驱动单元330在接收驱动信号之后，先将该驱动信号进行隔离放大，再进行依据该驱动信号驱动开关管340。具体的，隔离驱动单元330在接收到禁止的驱动信号后，先将禁止的驱动信号隔离放大，再控制相应的开关管340关断，而在接收到使能的驱动信号后，先将使能的驱动信号隔离放大，再控制相应的开关管340闭合。
在实际应用中，短路检测单元310可以是通过检测相应开关管340的电流来判断是否检测到开关管340短路。
具体的，当发生短路时，短路回路中的电流远大于正常运行时的电流，此时，短路检测单元310通过检测到相应的开关管340的电流大于阈值时，以确定检测到该开关管340发生短路，进而执行相应生成故障信号并发送的操作。
在本实施例中，硬件控制的处理时间短于软件控制的处理时间，因此，短路检测单元310通过控制开关320向隔离驱动单元330输出禁止的驱动信号，从而控制开关管340关断所需的时间较短，相应的，开关管340从发生短路到关断的时间较短，避免中转和逻辑判断延时，保护速度更快，从而降低发生短路的开关管340过流损坏的可能性。
实际应用中，图3中所涉及的短路检测单元310在检测到开关管340发生短路之后，还可以用于：将故障信号发送至MCU，使MCU输出禁止的驱动信号至每一个开关管单元内的控制开关320，进而通过相应隔离驱动单元330关断相应开关管340。
具体的，短路检测单元310检测到开关管340发生故障，则短路检测单元310生成故障信号并发送至控制开关320和MCU，控制开关320接收到短路检测单元310发送的故障信号之后，控制开关管340关断。
同时，MCU接收到短路检测单元310发送的故障信号之后，MCU向每个开关管单元中的控制开关320发送禁止的驱动信号，每个控制开关320接收到禁止的驱动信号后，输出禁止的驱动信号至相应的隔离驱动单元330，进而通过每个隔离驱动单元330关断相应开关管340。
需要说明的是，若此时发生故障的开关管单元的控制开关320处于断开状态，即控制开关320的输入端和输出端之间的连接断开，则该控制开关320无法输出相应的驱动信号。但是，此时第一开关管单元S1的开关管340已经关断，因此，不影响关断相应开关管340。
例如，若第一开关管单元S1的开关管340发生短路，则第一开关管单元S1的短路检测单元310检测到该开关管340发生短路后，其生成故障信号并输出至第一开关管单元S1的控制开关320和MCU，此时，该控制开关320控制第一开关管单元S1的开关管340关断。
同时，MCU接收到故障信号之后，MCU向每个开关管单元(即S1、S2、S3和S4)中的控制开关320发送禁止的驱动信号，每个控制开关320接收到禁止的驱动信号之后，输出禁止的驱动信号至相应的驱动隔离单元330，每个隔离驱动单元330关断相应开关管340。若第一开关管单元S1的控制开关320处于断开状态，则第一开关管单元S1的隔离驱动单元330无法接收到禁止的驱动信号。
需要说明的是，开关管单元均可能检测到相应的开关管340发生短路，故障检测最快的短路检测单元310将故障信号发出至MCU。
每一个开关管单元中的开关管340都存在两条故障封波路径。一条故障封波路径是：自身的短路检测单元310在检测到短路后直接封波，另一条故障封波路径是：故障检测最快的短路检测单元310向MCU发出故障信号后，由MCU集体封波。
其中，故障切除时间由其中较快的一个决定。在此，以第一开关管单元S1、第二开关管单元S2、第三开关管单元S3和第四开关管单元S4都参与短路(即桥臂直通)为例，假设第二开关管单元S2中的短路检测单元310最快检测到短路，则立即通过第二开关管单元S2的控制开关320和隔离驱动单元330，关断第二开关管单元S2的开关管340。
同时，第二开关管单元S2中的短路检测单元310向MCU发送故障信号，MCU接收到之后，发出集体封波信号，进而通过每一个开关管单元的控制开关320和隔离驱动单元330，来关断每个开关管单元的开关管340。
需要说明的是，在第二开关管单元S2的开关管340关断之后，第一开关管单元S1的开关管340和第四开关管单元S4的开关管340仍处于短路状态，若MCU发出的集体封波信号到达前，第一开关管单元S1的短路检测单元310检测到短路故障，则第一开关管单元S1会立即断开自身控制开关320，进而关断自身的开关管340。在第二开关管单元S2和第一开关管单元S1关断之后，不再处于短路状态，因此，第三开关管单元S3和第四开关管单元S4不会再产生故障信号，它们则由MCU发出的集体封波信号关断。
由于MCU对故障信号作出相应的逻辑判断需要一定的时间，所以，一般情况下，检测到故障的开关管单元的控制开关320，会先接收到自身的短路检测单元310的故障信号之后，再接收到MCU发出的禁止的驱动信号，此时，若该检测到故障的开关管单元的开关管340已经关断，则只需保持该开关管340关断，无需再执行关断动作。
可选的，在上述本发明实施例图3的基础之上，在本申请的另一实施例中，参见图4，还可以包括：故障封波单元410。
短路检测单元310在检测到开关管340发生短路之后，还可以用于：将故障信号发送至故障封波单元410，使故障封波单元410输出禁止的驱动信号至每一个开关管单元内的控制开关320，进而通过相应隔离驱动单元330关断相应开关管340。
也就是说，短路检测单元310在检测到开关管340发生短路之后，将故障信号发送至故障封波单元410和相应的控制开关320。
具体的，短路检测单元310检测到开关管340发生故障，则短路检测单元310生成故障信号并发送至自身的控制开关320和故障封波单元410，自身的控制开关320接收到故障信号之后，控制开关管340关断。
同时，故障封波单元410接收到短路检测单元310发送的故障信号之后，故障封波单元410向每个开关管单元中的控制开关320发送禁止的驱动信号，接着每个控制开关320输出禁止的驱动信号至相应的隔离驱动单元330，每个隔离驱动单元330关断相应开关管340。
由于故障封波单元410控制各个开关管单元是硬件控制，所以，故障封波单元410用时较短。一般情况下发生故障的开关管单元的控制开关320先接收到自身的短路检测单元310发送的故障信号之后，再接收到故障封波单元410发送的禁止的驱动信号，此时若该故障的开关管单元的开关管340已经关断，则只需保持该开关管340关断，无需再执行关断动作。
当然，也有可能是发生故障的开关管单元的控制开关320先接收到故障封波单元410发送的禁止的驱动信号，再接收到自身的短路检测单元310发送的故障信号，此时若该发生故障的开关管单元的开关管340已经关断，则只需保持该开关管340关断，无需再执行关断动作。
在本实施例中，由于硬件控制的处理时间短于软件控制的处理时间，因此，通过故障封波单元410控制各个开关管340关断所需的时间较短，相应的，从检测到发生短路到每个开关管340关断所需的时间较短，降低开关管340过压损坏的可能性，进而保证该飞跨电容型NPC三电平拓扑的安全运行。
此外，在本实施例中，各个短路检测单元310可以不再与MCU相连，而是由故障封波单元410向MCU发送故障信号。具体的，在故障封波单元410接收到最快检测到短路的短路检测单元310发送的故障信号之后，故障封波单元410将该故障信号发送至MCU，使MCU执行报警等其他操作。当然，实际应用中也不排除保留各个短路检测单元310与MCU之间的连接关系，作为一种冗余保护。
需要说明的是，在图2至4任一实施例中所涉及的飞跨电容Css，飞跨电容型NPC三电平拓扑长时间不工作，此时飞跨电容Css的电压为0，若在此情况下，飞跨电容型三电平拓直接启动，则飞跨电容型三电平拓所产生的冲击电流，可能造成飞跨电容Css或开关管单元等其他器件过流损坏。
因此，在上述本发明实施例图2至4的基础之上，本申请另一实施例中，参见图5(以在图2的基础之上为例进行展示)，还可以包括：电压管理电路510。
电压管理电路510，用于在飞跨电容型NPC三电平拓扑上电之后，为飞跨电容Css充电。
具体的，在飞跨电容型NPC三电平拓扑上电后，电压管理电路510控制直流侧正极或直流侧负极对飞跨电容Css进行充电，此时，飞跨电容型NPC三电平拓扑中的桥臂210处于停止运行状态，也就是说，桥臂210中的所有开关管单元均断开，直到飞跨电容Css的电压处于预设范围内或对飞跨电容Css进行充电的时间大于等于特定时间，这时，飞跨电容型三电平拓中的桥臂210处于启动工作状态，也就是说，桥臂210中的所有开关管单元依据工作状态的开关逻辑执行相应的导通或关断。
在本实施例中，电压管路电路510控制直流侧正极或直流侧负极对飞跨电容Css进行充电，因此，飞跨电容型NPC三电平拓扑启动时，飞跨电容Css的电压大于0，从而降低冲击电流对飞跨电容的损坏。
可选的，在上述本发明实施例图5中所涉及的电压管理单元510，参见图6，包括：充电支路610和充电驱动单元620。
充电驱动单元620，用于在飞跨电容型NPC三电平拓扑的MCU满足预设条件时，控制充电支路610为飞跨电容Css充电。充电支路610的一端与飞跨电容Css相连，充电支路610的另一端与飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极或直流侧负极相连。
具体的，在飞跨电容型NPC三电平拓扑的MCU满足预设条件时，充电驱动单元620控制充电支路610连通，即将飞跨电容Css通过充电支路610与直流侧正极或直流侧负极连接，此时，直流侧正极或直流侧负极为飞跨电容Css充电。
而在飞跨电容型NPC三电平拓扑的MCU不满足预设条件时，充电驱动单元620控制充电支路610断开，即飞跨电容Css无法连接到直流侧正极或直流侧负极，此时，直流侧正极或直流侧负极停止为飞跨电容Css充电。
参见图7a，其示出了充电支路610连接在飞跨电容Css和直流侧负极之间的飞跨电容型NPC三电平拓扑。因此，在飞跨电容型NPC三电平拓扑的MCU满足预设条件时，充电驱动单元620控制充电支路610连通，即将飞跨电容Css通过充电支路610与直流侧负极连接，此时，直流侧负极对飞跨电容Css进行充电。
参见图7b，其示出了充电支路610连接在飞跨电容Css和直流侧正极之间的飞跨电容型NPC三电平拓扑。因此，在飞跨电容型NPC三电平拓扑的MCU满足预设条件时，充电驱动单元620控制充电支路610连通，即将飞跨电容Css通过充电支路610与直流侧正极连接，此时，直流侧正极对飞跨电容Css进行充电。
此外，在本实施例中，电压管理单元510，还可以包括：放电电路，充电驱动单元620控制放电电路为飞跨电容放电，放电电路与飞跨电容Css并联。
具体的，在飞跨电容型NPC三电平拓扑的MCU满足预设条件时，充电驱动单元620控制充电支路610为飞跨电容Css充电，并控制放电支路停止为飞跨电容Css放电；而在飞跨电容型NPC三电平拓扑的MCU不满足预设条件时，充电驱动单元620控制充电支路610停止为飞跨电容Css充电，并控制放电支路为飞跨电容Css放电。
在实际运行中，在上述本发明实施例图6中所涉及的预设条件可以是：飞跨电容型NPC三电平拓扑处于上电后的预设时间内。其中，预设时间大于充电支路时间常数的三倍。
具体的，在飞跨电容型NPC三电平拓扑处于上电后的预设时间内，则充电驱动单元620控制充电支路610为飞跨电容Css充电。其中，飞跨电容型NPC三电平拓扑可以是在上电时刻，MCU向充电驱动单元620发送一次使能的驱动信号；还可以是在上电后的预设时间内，MCU每间隔特定时间向充电驱动单元620发送使能的驱动信号。
然而，在飞跨电容型NPC三电平拓扑处于上电后的预设时间外，则充电驱动单元620控制充电支路610停止为飞跨电容Css充电。其中，飞跨电容型NPC三电平拓扑可以是在处于上电后的预设时间外时，MCU向充电驱动单元620发送禁止的驱动信号。
在本实施例中，预设时间大于充电支路时间常数的三倍，以确定飞跨电容Css的电压达到预设电压，进一步的确保飞跨电容Css不被冲击电流击穿，从而降低冲击电流对飞跨电容Css的损坏。
可选的，在上述本发明实施例图7中所涉及的电压管理单元510，参见图8，还可以包括：采样单元810。
采样单元810，用于对飞跨电容Css两端的电压进行采样，并将采样到的飞跨电容Css两端的电压发送至MCU。
因此，在本实施例中，上述预设条件还可以是：飞跨电容Css两端的电压处于[(1-k)Vin/2，(1+k)Vin/2]之外，或者，飞跨电容Css两端的电压小于等于(1-k)Vin/2。其中，Vin为飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧输入电压，k为飞跨电容电压的启机系数。其中，k可以是0～5％之间任意值，k还可以是10％。
具体的，采样单元810对飞跨电容Css两端的电压进行采样，并将采样到的飞跨电容Css两端的电压发送至MCU，若MCU判断出飞跨电容Css两端的电压处于[(1-k)Vin/2，(1+k)Vin/2]之外，则MCU向充电驱动单元620发送使能的驱动信号，接着充电驱动单元620控制充电支路610为飞跨电容Css充电；或者，若MCU判断出飞跨电容Css两端的电压小于等于(1-k)Vin/2，则MCU向充电驱动单元620发送使能的驱动信号，接着充电驱动单元620控制充电支路610为飞跨电容Css充电。
然而，若MCU判断出飞跨电容Css两端的电压处于[(1-k)Vin/2，(1+k)Vin/2]之内，则MCU向充电驱动单元620发送禁止的驱动信号，接着充电驱动单元620控制充电支路610停止为飞跨电容Css充电；或者，飞跨电容Css两端的电压大于(1-k)Vin/2，则MCU向充电驱动单元620发送禁止的驱动信号，接着充电驱动单元620控制充电支路610停止为飞跨电容Css充电。
需要说明的是，若飞跨电容型NPC三电平拓扑包括多个飞跨电容Css，此时，若任一个飞跨电容Css两端的电压满足预设条件，则充电驱动单元620，控制充电支路610为飞跨电容Css充电。
此外，上述本发明实施例图6和7中所涉及的充电支路610，参见图9，包括：电阻R和可控开关K；电阻R和可控开关K串联。
在实际应用中，若飞跨电容型NPC三电平拓扑的桥臂为偶数个，则：一半数量的桥臂中的充电支路610，设置于飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极与相应飞跨电容Css之间；另一半数量的桥臂中的充电支路610，设置于飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧负极与相应飞跨电容Css之间。
当然，也可以是全部桥臂采用单一的连接方式，如全部桥臂采用将充电支路610设置于飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧负极与相应飞跨电容Css之间；或者，将充电支路设置于飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极与相应飞跨电容Css之间。
在本实施例中，以全部桥臂采用混合连接的情况为例进行说明，如下：
在第一桥臂910中，电阻R的一端与飞跨电容Css连接，另一端与可控开关K的一端连接，可控开关K的另一端与第二电容Cd2连接，其连接点为直流侧负极。在第二桥臂920中，电阻R的一端与第一电容Cd1连接，其连接点为直流侧正极，另一端与可控开关K的一端连接，可控开关K的另一端与飞跨电容Css连接。
在此以桥臂数量为两个为例进行说明，桥臂数量为其他偶数值的连接方式与两个的连接方式相同，在此不再赘述，如下：
在第一桥臂910中，飞跨电容Css1的充电路径有两条，一条充电路径是是：直流侧输入电源→第一电容Cd1→第一桥臂910中的第一二极管Dc1→第一桥臂910中的飞跨电容Css1→第一桥臂910中的电阻R→第一桥臂910中的可控开关K。另一条充电路径是：第二电容Cd2→第一桥臂910中的第一二极管Dc1→第一桥臂910中的飞跨电容Css1→第一桥臂910中的电阻R→第一桥臂910中的可控开关K。从两条充电路径可知，在第一桥臂910中的飞跨电容Css1充电过程中，第一电容Cd1充电，第二电容Cd2放电。
类似的，在第二桥臂920中，飞跨电容Css2充电路径有两条，一条充电路径是：第一电容Cd1→第二桥臂920中的电阻R→第二桥臂920中的可控开关K→第二桥臂920中的飞跨电容Css2→第二桥臂920中的第二二极管Dc4另一条充电路径是：直流侧输入电源→第二桥臂920中的电阻R→第二桥臂920中的可控开关K→第二桥臂920中的飞跨电容Css2→第二桥臂920中的第二二极管Dc4→第二电容Cd2。从两条充电路径可知，在第二桥臂920中的飞跨电容Css2充电过程中，第一电容Cd1充电，第二电容Cd2放电。
因此，第一电容Cd1充电，第二电容Cd2放电，以保证飞跨电容(即Css1和Css2)充电不影响第一电容Cd1和第二电容Cd2的电压平衡。
此外，在本实施例中，桥臂910和/或桥臂920，还可以包括：放电电阻(如图9中桥臂910的Rcss1，以及桥臂920的Rcss2)，放电电阻与相应的飞跨电容并联，由于放电电阻并联在相应的飞跨电容两端，且短路故障不经常发生，因此，故障之后一般不要求快速启机。其中，放电电阻的阻值可以很大，对电路效率的影响可以忽略不计。
需要说明的是，为减小开关损耗，在轻载时，飞跨电容型NPC三电平拓扑通常工作在打嗝模式。打嗝模式分为工作和封波两个阶段，参见图10，t0～t1期间为工作阶段，t1～t2为封波阶段。在工作阶段，开关管单元工作在脉冲调制状态，封波阶段所有开关管单元的驱动均为低电平，停止工作。
当飞跨电容型NPC三电平拓扑工作在打嗝模式时，如果直流侧的输入源为光伏板，则在工作阶段，由于直流侧的输入电压Vin下降，在t1时刻，输出功率等于零，直流侧的输入电压Vin跳变至开路电压，然后在t1～t2期间，直流侧的输入电压Vin保持不变。
在打嗝模式时，所有飞跨电容电压的波形相同，参见图9，接下来以第一桥臂910中的飞跨电容Css1的电压Vcss1为例进行说明，如下：
在工作阶段，飞跨电容Css1的电压Vcss1始终等于Vin/2，因此飞跨电容Css1的电压Vcss1与直流侧的输入电压Vin同步降低，在封波阶段，由于所有开关管单元均关断，则飞跨电容Css1处于悬空状态，飞跨电容Css1的电压Vcss1保持t1时刻的值不变。
在t0时刻，由于飞跨电容Css1的电压Vcss1小于Vin/2，当第一开关管单元S1导通时，经由第一电容Cd1→第一开关管单元S1→飞跨电容Css1→第二二极管Dc2对飞跨电容Css1充电；或者，当第四开关管单元S4导通时，经由第二电容Cd2→第一二极管Dc1→飞跨电容Css1→第四开关管单元S4对飞跨电容Css1充电。当电压差较大时，即t0时刻，该电流呈脉冲形状，且幅值很大，可能损坏第一二极管Dc1、第二二极管Dc2、第一开关管单元S1和第四开关管单元S4。第二桥臂920和第一桥臂910的执行过程和原理类似，在此不再是赘述。
为解决上述问题，在图2至9任一实施例的飞跨电容型NPC三电平拓扑，在此以图2为例进行说明，还可以是：在打嗝封波期间，第一开关管单元S1和第四开关管单元S4中的一个开关管单元恒定导通。如打嗝封波期间，第一开关管单元S1恒定导通，或者，第四开关管单元S4恒定导通。
参见图11，在打嗝封波期间，分别对第一开关管单元S1恒定导通和第四开关管单元S4恒定导通进行说明，如下：
第四开关管单元S4恒定导通：在t1～t2期间，通过保持第四开关管单元S4导通，将飞跨电容Css并联到第二电容Cd2，使飞跨电容Css的电压Vcss始终等于Vin/2。
第一开关管单元S1恒定导通：在t1～t2期间，通过保持第一开关管单元S1导通，将飞跨电Css并联到第一电容Cd1，使飞跨电容Css的电压Vcss始终等于Vin/2。
需要说明的是，本申请所采用的飞跨电容Css的容量较大，因此将其与第一电容Cd1和第二电容Cd2并联时不可忽略，所以，为提高直流侧的分压效果，当飞跨电容型NPC三电平拓扑有多个桥臂时，应该使一半的飞跨电容Css并联到第一电容Cd1，另一半的飞跨电容Css并联到第二电容Cd2。
在此，两个桥臂为例，如图9所示，在封波期间，将第一桥臂910中的第一开关管单元S1与第二桥臂920中的第四开关管单元S8导通，或者，将第一桥臂910中的第四开关管单元S4与第二桥臂920中的第一开关管单元S5导通。当然，除了光伏板之外，直流侧输入电源还可以为其它输入源，也在本申请的保护范围内。
在本实施例中，电压差较小，对应的电流幅值较小，保证第一二极管Dc1、第二二极管Dc2、第一开关管单元S1和第四开关管单元S4的安全性。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，包括：两个半母线电容和至少一个桥臂；其中：
所述桥臂包括：飞跨电容、两个内管单元、两个外管单元以及两个箝位二极管；
所述飞跨电容的容值大于等于特定值，无论发生何种短路故障，其电压波动均不会导致开关管过压，从而避免所述内管单元和所述外管单元过压损坏；
两个半母线电容是相同的电容，两个箝位二极管是相同的二极管；
所述内管单元和所述外管单元均包括：短路检测单元、控制开关、隔离驱动单元和开关管；其中，所述短路检测单元，用于在检测到所述开关管发生短路之后，生成故障信号并发送至所述控制开关；所述控制开关，用于接收到所述短路检测单元发送的所述故障信号时，控制所述开关管关断。
2.根据权利要求1所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，两个半母线电容串联连接，两个箝位二极管串联连接；两个箝位二极管的连接点与两个半母线电容的连接点相连；
两个半母线电容串联后的一端，作为所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极，在所述桥臂内通过一个外管单元连接一个内管单元的一端、所述飞跨电容的一端以及两个箝位二极管串联后的阴极；
两个半母线电容串联后的另一端，作为所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧负极，在所述桥臂内通过另一个外管单元连接另一个内管单元的一端、所述飞跨电容的另一端以及两个箝位二极管串联后的阳极；
两个内管单元的连接点作为所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的一个交流侧端口。
3.根据权利要求1所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，所述特定值为Isc*Tsc/(Kprt*V(BR)DSS-Vin_max/2)；
其中，Isc为短路期间的平均短路电流，Tsc为短路持续时间，V(BR)DSS为所述内管单元和所述外管单元中开关管的击穿电压，Vin_max为最大输入电压，Kprt为保险系数。
4.根据权利要求1所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，所述控制开关还用于在接收到所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的微控制单元MCU发送的禁止或使能的驱动信号时，输出相应的驱动信号至所述隔离驱动单元；
所述隔离驱动单元，用于根据相应的驱动信号控制所述开关管关断或闭合。
5.根据权利要求4所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，所述短路检测单元在检测到所述开关管发生短路之后，还用于：将所述故障信号发送至所述MCU，使所述MCU输出禁止的驱动信号至各个控制开关，进而通过相应隔离驱动单元关断相应开关管。
6.根据权利要求4所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，还包括：故障封波单元；
所述短路检测单元在检测到所述开关管发生短路之后，还用于：将所述故障信号发送至所述故障封波单元，使所述故障封波单元输出禁止的驱动信号至各个控制开关，进而通过相应隔离驱动单元关断相应开关管。
7.根据权利要求6所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，所述故障封波单元还用于向所述MCU发送所述故障信号。
8.根据权利要求1-7任一所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，还包括：电压管理电路；
所述电压管理电路，用于在所述飞跨电容型三电平拓上电之后，为所述飞跨电容充电。
9.根据权利要求8所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，所述电压管理电路包括：充电支路和充电驱动单元；
所述充电驱动单元，用于在所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的MCU满足预设条件时，控制所述充电支路为所述飞跨电容充电；
所述充电支路的一端与所述飞跨电容相连，所述充电支路的另一端与所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极或直流侧负极相连。
10.根据权利要求9所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，所述预设条件为：所述飞跨电容型NPC三电平拓扑处于上电后的预设时间内；
所述预设时间大于所述充电支路时间常数的三倍。
11.根据权利要求9所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，所述电压管理电路，还包括：采样单元，用于对所述飞跨电容两端的电压进行采样，并将采样到的所述飞跨电容两端的电压发送至所述MCU；
所述预设条件为：所述飞跨电容两端的电压处于[(1-k)Vin/2，(1+k)Vin/2]之外；
其中，Vin为所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧输入电压，k为飞跨电容电压的启机系数。
12.根据权利要求9所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，所述电压管理电路，还包括：采样单元，用于对所述飞跨电容两端的电压进行采样，并将采样到的所述飞跨电容两端的电压发送至所述MCU；
所述预设条件为：所述飞跨电容两端的电压小于等于(1-k)Vin/2；
其中，Vin为所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧输入电压，k为飞跨电容电压的启机系数。
13.根据权利要求9所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，所述充电支路包括：电阻和可控开关；
所述电阻和所述可控开关串联；
所述可控开关的控制端与所述充电驱动单元的输出端相连。
14.根据权利要求9所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，若所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的桥臂为偶数个，则：
一半数量的桥臂中的充电支路，设置于所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧正极与相应飞跨电容之间；
另一半数量的桥臂中的充电支路，设置于所述飞跨电容型NPC三电平拓扑的直流侧负极与相应飞跨电容之间。
15.根据权利要求1-7任一所述的飞跨电容型NPC三电平拓扑，其特征在于，在打嗝封波期间，两个外管单元中的一个恒定导通。
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