CN112952763B - 一种针对二极管钳位式三电平电路的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于电力电子技术领域的一种针对二极管钳位式三电平电路的保护方法。通过改变驱动电路中门极电阻和门极电容的匹配关系，使得当装置出现保护性全局关断时，能够确保外管先于内管关断，从而避免器件的过压损坏。本发明具有实现简单，安全可靠，与现有驱动电路和保护电路兼容等优点，可以避免在保护性全局关断器件时，因驱动信号不同步、器件个体差异以及工作环境不一致而导致出现危险器件开关组合状态的风险。

Description

一种针对二极管钳位式三电平电路的保护方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种针对二极管钳位式三电平电路的保护方法。
背景技术
三电平拓扑结构相比于两电平拓扑，具有输出谐波特性更好，功率开关管耐压需求低等优点，尤其适用于大功率应用场合。而二极管钳位式三电平电路是其中较为常用的电路拓扑之一。
在大功率应用中，上述电路通常采用半导体功率模块作为基本元器件来搭建，而当前市场上适用于搭建二极管钳位式三电平电路的功率模块以半桥模块为主，该模块驱动板通常配有过压、过流、过热等保护功能，在出现故障情况时会同时关闭上管和下管，以保证系统紧急停机。
然而在二极管钳位式三电平拓扑中，一个半桥功率模块中的上管和下管通常分别作为三电平半桥中的外管和内管。在故障保护时，若驱动电路按照常规方式直接将所有开关管关断，则有可能会出现内管先于外管关断的情况，而在该电路中，这一工况的出现会造成外管承受全边母线电压，而非常规工况下的半边母线电压，进而导致器件过压损坏。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种针对二极管钳位式三电平电路的保护方法，通过改变驱动电路中门极电阻和门极电容的匹配关系，使得当装置出现保护性全局关断时，能够确保外管先于内管关断，从而避免器件的过压损坏。所谓保护性全局关断，即在电力电子装置出现异常状况时，驱动电路执行保护动作，向所有功率开关器件同时发送关断信号的过程。
针对二极管钳位式三电平电路的保护方法，其特征在于，所述三电平电路中功率开关器件采用碳化硅MOSFET功率模块，碳化硅MOSFET功率模块的驱动电路具有外加门极电阻和外加门极电容；在合理的取值范围内，内管所对应的外加门极电阻选取为外管所对应的外加门极电阻的两倍；在合理的取值范围内，内管所对应的外加门极电容与其自身门极电容之和，为外管对应外加门极电容与其自身门极电容之和的两倍，如下式：
Figure BDA0002933214890000021
式中，Rg1～Rg4、Cg1～Cg4和Cgs1～Cgs4分别为功率开关器件S1～S4的外加门极电阻、外加门极电容和自身门极电容。
所述合理的取值范围，具体为考虑器件开关速度、开关损耗、开关瞬态尖峰和振荡以及电磁干扰的因素，通过器件厂商提供数据或单管实验测试的形式，得出的门极电阻和门极电容的取值范围。
所述内管，特指二极管钳位式三电平电路桥臂中，与桥臂输出点直接相连的两个功率开关器件；所述外管，特指二极管钳位式三电平电路桥臂中，与直流母线直接相连的两个功率开关器件。
对于采用开通门极电阻和关断门极电阻分别配置的驱动电路，针对门极电阻的调节仅对关断门极电阻。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所提供的保护方法可以避免在传统保护动作过程中可能出现的内管先于外管关断的情况，从而降低了功率开关器件过压损坏的风险；
2、本发明所提供的保护方法可与现有驱动保护电路及其保护方法相兼容，无需对原有保护策略进行调整；
3、本发明所提供的保护方法仅需对外加门极电阻和门极电容的取值进行调节，实现简单。
附图说明
图1为本发明实施例所针对的二极管钳位式三电平电路单个桥臂拓扑示意图；
图2为本发明实施例在保护动作过程中出现的危险状况之一示意图；
图3为本发明实施例在保护动作过程中出现的危险状况之二示意图；
图4为本发明所提出的保护方法电路连接示意图。
具体实施方式
本发明提出一种针对二极管钳位式三电平电路的保护方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1是本发明实施例所针对的二极管钳位式三电平电路基本拓扑，以单个桥臂为例，上桥臂由半桥模块1组成，下桥臂由半桥模块2组成。对于此桥臂中，上桥臂的S1和下桥臂的S4为外管，上桥臂的S2和下桥臂的S3为内管。
上述功率开关管S1-S4可以是IGBT或MOSFET等典型功率开关器件，并具有反向导通能力。下面以[abcd]的形式表述从S1到S4的开关状态，其中1表示通态，0表示阻态。
在此电路中，当出现内管关断，外管导通的情况，以[1000]为例，若此时桥臂输出电流为正，如图2所示，则S2将承受全边母线电压。而在三电平电路中，功率开关器件的耐压值通常会按照半边母线电压来设计，因此上述工况将导致器件过压，进而导致装置损坏。同理，当出现[0001]工况时，若桥臂输出电流为负，如图3所示，则S3将承受全边母线电压，进而导致其过压损坏。
因此，在二极管钳位式三电平电路中，必须保证外管处于关断状态，方可关断对应侧的内管。在正常工况中，该条件可由控制信号逻辑顺序来保证。但若出现异常状况，功率模块的驱动电路将执行保护动作，而经典的保护方式为迅速拉低所有功率开关器件的驱动信号，使其全部关断。由于各个功率开关器件在生产工艺、工作环境等方面存在不均一性，导致其关断瞬态过程不尽相同，各开关器件的实际关断时间将有所差异。因此这一保护行为很可能造成内管先于外管关断的情况，存在导致器件过压损坏的风险。
为此，本发明提出一种针对二极管钳位式三电平电路的保护方法，在本实施例中，其示意图如图4所示。其中Rgi(i＝1,2,3,4,下同)和Cgi分别为功率开关器件Si的外加门极电阻和外加门极电容，Cgsi为功率开关器件Si的自身门极电容。在设计合理的取值范围内，改变内外管的外加门极电阻和门极电容，使其满足如下条件：
Figure BDA0002933214890000031
根据RC充电电路知识可知，在此条件下，关断时内管门极电压的下降时间常数τ为外管的4倍，可以保证外管先于内管可靠关断，从而抵消驱动信号不同步、器件个体差异以及工作环境不一致所导致的关断速度不均一，避免前述故障的发生。
作为本发明拓展，对于采用开通门极电阻和关断门极电阻分别配置的驱动电路，可仅对其关断门极电阻进行上述调节，在不影响开通特性的同时，提升保护动作过程的安全性。
综上所述，本发明所提出的二极管钳位式三电平电路保护方法，具有实现简单，安全可靠，与现有驱动电路和保护电路兼容等优点，可以避免在保护性全局关断器件时，因驱动信号不同步、器件个体差异以及工作环境不一致而导致出现危险器件开关组合状态的风险。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种针对二极管钳位式三电平电路的保护方法，其特征在于，所述三电平电路中功率开关器件采用碳化硅MOSFET功率模块，碳化硅MOSFET功率模块的驱动电路具有外加门极电阻和外加门极电容；在合理的取值范围内，内管所对应的外加门极电阻选取为外管所对应的外加门极电阻的两倍；在合理的取值范围内，内管所对应的外加门极电容与其自身门极电容之和，为外管对应外加门极电容与其自身门极电容之和的两倍，如下式：
Figure FDA0003518174410000011
式中，Rg1～Rg4、Cg1～Cg4和Cgs1～Cgs4分别为功率开关器件S1～S4的外加门极电阻、外加门极电容和自身门极电容；
所述内管，特指二极管钳位式三电平电路桥臂中，与桥臂输出点直接相连的两个功率开关器件；所述外管，特指二极管钳位式三电平电路桥臂中，与直流母线直接相连的两个功率开关器件。
2.根据权利要求1所述的针对二极管钳位式三电平电路的保护方法，其特征在于：所述合理的取值范围，具体为考虑器件开关速度、开关损耗、开关瞬态尖峰和振荡以及电磁干扰的因素，通过器件厂商提供数据或单管实验测试的形式，得出的门极电阻和门极电容的取值范围。
3.根据权利要求1所述的针对二极管钳位式三电平电路的保护方法，其特征在于：对于采用开通门极电阻和关断门极电阻分别配置的驱动电路，针对门极电阻的调节仅对关断门极电阻。
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