CN113162455A - 一种电源变换装置及其短路保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电源变换装置，主回路由支撑电容、泄能电阻、桥式整流/逆变模块、预充电电阻组成，二次回路由电流测量模块、驱动板、控制板组成，可以实现电能交流‑直流双向变换以及直流‑直流变换；还公开其短路保护方法，可以在不同应用下对本电源变换装置进行可靠短路保护，防止设备硬件损坏。本电源变换装置及其短路保护方法尤其适用于全电动船，可以实现全电动船核心电力电子设备的通用化、标准化，降低设备维护成本，提高船舶在航率；本电源变换装置及其短路保护方法同时也适用于其他类型船舶以及非船领域。

Description

一种电源变换装置及其短路保护方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电源变换装置及其短路保护方法，可以实现电能交流-直流双向变换以及直流-直流变换。
背景技术
电力推进船舶，尤其是全电动船，往往需要各种电力电子设备。例如电力推进船舶采用交流发电机组供电，需要整流器将交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为交流电（即变频器），以实现推进电机变频调速。在全电动船中，电池输出的直流电为浮压，需要经过直流充放电装置得到稳定的直流电，才能可靠的为负载供电，另外电池也需要充电装置进行充电。全电动船推进电机一般采用交流电动机，需要逆变器将直流电逆变为交流电以实现变频调速。全电动船上大量的日用负荷为三相380V及单相220V供电，需要逆变电源将直流电逆变为标准交流电。
上述各种电力电子设备存在型号尺寸多样、功能接口各异、设备及元器件不能互换等问题，给故障排查带来不便，备品备件也需要多种多样，设备维护较高。
如果能提供一种电源变换装置及其短路保护方法，使全船核心电力电子设备通用化、标准化，同时提供可靠的短路保护，势必会便于故障排查，降低设备维护成本，简化备品备件管理，任一核心电力电子设备损坏均可以直接换新，提高船舶在航率。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种电源变换装置，为全电动船提供通用化、标准化的核心电力电子设备，同时提供可靠的短路保护，以便于故障排查，降低设备维护成本，提高船舶可用率，是未来电力推进船舶发展的方向。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电源变换装置，包括顺序连接的桥式整流/逆变模块、驱动板和控制板，所述的桥式整流/逆变模块由IGBT T1、IGBT T2、IGBT T3并联组成，每个IGBT上均反向并联二极管，桥式整流/逆变模块的DC+、DC-直流输入端并联有支撑电容和泄能电阻，桥式整流/逆变模块的DC+、DC-直流输入端还通过预充电电阻引出PC+、PC-预充电电源输入端，其中DC-直流输入端还引出DCN端子，桥式整流/逆变模块的三个桥臂分别引出U、V、W交流输出端，所述的控制板上分别设置有电压采样接口和电流采样接口，还包括由三个交流电流传感器TA1、TA2、TA3和一个直流电流传感器TA4组成的电流测量模块，电流传感器TA1、TA2、TA3分别设置在U、V、W交流输出端并与电流采样接口连接，电流传感器TA4设置在DC+输入端并与电流采样接口连接。
所述的一种电源变换装置，其支撑电容为薄膜电容，其泄能电阻为平面厚膜无电感功率电阻，其预充电电阻为普通功率电阻。
所述的一种电源变换装置，其驱动板与桥式整流/逆变模块之间采用电气或光纤连接，可以控制IGBT的开通关断以及保护IGBT。
所述的一种电源变换装置，其控制板与驱动板之间采用电气连接，控制板具有电压、电流采样接口及功能，电压、电流信号可以来自本装置内部或外部，控制板具有与外部设备的电路或通讯接口。
本发明的目的之二在于提供上述电源变换装置的短路保护方法，包括如下步骤：
工作于直流-交流变换模式时，DC+、DC-输入端用于直流输入，PC+、PC-输入端用于预充电电源输入，输入的直流电源经过桥式整流/逆变模块逆变后从U、V、W交流输出端输出，可以作为逆变器变频驱动交流电动机或作为逆变电源使用（需外接正弦波滤波器）；当作为逆变器使用变频驱动交流电动机，发生U、V、W交流输出端短路时，控制板即时向驱动板发送脉冲封锁信号，驱动板封锁脉冲后，电源变换装置停止工作；当作为逆变电源使用，U、V、W交流输出端短路时，控制板即时向驱动板发送控制指令，交流输出电流限制在短路限制值：当交流输出电流低于短路限制值，电源变换装置自动恢复正常工作；否则，控制板向驱动板发送脉冲封锁信号，驱动板封锁脉冲后，电源变换装置停止工作；
工作于交流-直流变换模式时，U、V、W交流输出端为交流输入端，输入的交流电源经过桥式整流/逆变模块整流后，从DC+、DC-直流输入端输出，当作为整流器使用，发生DC+、DC-直流输出端短路时，控制板即时向驱动板发送脉冲封锁信号，驱动板封锁脉冲后，电源变换装置停止工作；
工作于直流-直流变换模式时，DC+、DC-输入端连接直流母线，经过电源变换装置及滤波器可以为电池充电，U、V、W交流输出端外接滤波器后与DCN端子连接电池，电池电源经过滤波器及电源变换装置可以从DC+、DC-输出稳定直流电，当作为充放电装置使用，发生输出端短路时，控制板即时向驱动板发送脉冲封锁信号，驱动板封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
进一步，作为逆变器使用时，控制板采用空间电压矢量调制控制算法，U、V、W交流输出端输出频率及占空比受控的调制方波，等效为频率及电压受控的正弦波，以实现异步感应电机或永磁电机的变频调速，发生交流输出端相间短路时，控制板通过电流测量模块实时检测到任一输出相电流超过短路阈值，触发短路保护条件，控制板即时向驱动板发送脉冲封锁信号，驱动板封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
进一步，作为逆变电源使用时，控制板采用正弦波脉宽调制控制算法，U、V、W交流输出端外接正弦波滤波器，实现三相380V、50Hz标准交流电输出，通过变压器变换为单相220V、50Hz标准交流电为不同交流日用负荷供电，发生交流输出端相间短路时，控制板通过电流测量模块实时检测到任一输出相电流超过短路阈值，触发短路保护条件，控制板即时向驱动板发送控制指令，电源变换装置切换到电流闭环、电压开环控制模式，使输出电流限制在短路限制值，当输出电流在5秒内恢复正常，电源变换装置自动切换到电压、频率闭环控制模块，输出三相380V、50Hz标准交流电，恢复正常工作，当交流输出电流在5秒内未恢复正常，控制板向驱动板发送脉冲封锁信号，驱动板封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
进一步，作为整流器使用时，控制板采用高频整流控制算法，DC+、DC-端输出电压受控的直流电，控制板实时检测U、V、W端输入交流电的电压和电流，工作模式为主动前端整流器，发生直流输出端正负极短路时，控制板通过电流测量模块直流电流传感器TA4实时检测到直流输出电流超过短路阈值，触发短路保护条件，控制板即时向驱动板发送脉冲封锁信号，控制板同时通过外部接口发送指令，分断U、V、W交流输入端外部电源开关，电源变换装置停止工作。
进一步，作为整流器使用时，控制板可以不采用控制算法，桥式整流/逆变模块构成三相桥式不控整流电路，DC+、DC-端输出直流电，此工作模式为二极管前端（DFE）整流器。
进一步，作为充放电装置使用时，控制板采用闭环控制算法，DC+、DC-端输出受控的稳定直流电，发生输出端正负极短路时，控制板通过电流测量模块实时检测到电流超过短路阈值，触发短路保护条件，控制板即时向驱动板发送脉冲封锁信号，驱动板封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
本发明的目的之三在于提供一种基于上述电源变换装置的变频器，由两个电源变换装置串联连接而成；或者由多个电源变换装置组并联连接而成，每个电源变换装置组由两个电源变换装置串联连接而成；成组的两个电源变换装置的DC+、DC-直流输入端相互连接，两个电源变换装置的PC+、PC-预充电电源输入端并联连接，一个电源变换装置的U、V、W交流输出端连接交流电源，一个电源变换装置的U、V、W交流输出端连接电机。
本发明的有益效果是：本发明电源变换装置可以运行在交流-直流变换模式，为运行在直流-交流变换模式的电源变换装置提供直流电源，一起组成交-直-交变频器运行。当用于直流-交流变换模式时，可以作为逆变器变频驱动交流电动机或作为逆变电源使用；当用于交流-直流变换模式时，可以作为整流器输出直流电；当用于直流-直流变换模式时，可以作为充放电装置输出稳定的直流电或为直流电源充电
本发明电源变换装置可以多台并联运行，提高输出容量；当并联运行中某电源变换装置发生故障，该故障装置可以自动停机，其余装置保持并联运行。
本发明尤其适用于全电动船，可以实现全电动船核心电力电子设备的通用化、标准化，同时提供可靠的短路保护，降低设备维护成本，提高船舶可用率；本电源变换装置及其短路保护方法同时也适用于其他类型电力推进船舶以及非船领域。
附图说明
图1为本发明装置的原理示意图；
图2为本发明直流-交流变换的逆变器工作模式示意图；
图3为本发明直流-交流变换的逆变电源工作模式示意图；
图4为本发明交流-直流变换的整流器工作模式示意图；
图5为本发明直流-直流变换的充放电装置工作模式示意图；
图6为本发明直流-交流变换时的逆变器短路保护流程；
图7为本发明直流-交流变换时的逆变电源短路保护流程；
图8为本发明交流-直流变换时的整流器短路保护流程；
图9为本发明直流-直流变换时的充放电装置短路保护流程；
图10为本发明作为逆变器并联运行示意图；
图11为本发明作为逆变电源并联运行示意图；
图12为本发明作为整流器并联运行示意图；
图13为本发明电源变换装置组成变频器运行示意图；
图14为本发明并联组成变频器运行，驱动单台电机运行示意图；
图15为本发明并联组成变频器运行，驱动多台电机运行示意图；
图16为本发明中电源变换装置应用于全电动船示意图；
图17为本发明中电源变换装置应用于其他类型船舶示意图。
各附图标记为：1—支撑电容，2—泄能电阻，3—桥式整流/逆变模块，4—电流测量模块，5—预充电电阻，6—驱动板，7—控制板。
具体实施方式
下面结合附图作进一步说明。
本发明公开的一种电源变换装置，可以实现电能交流-直流双向变换以及直流-直流变换，包括顺序连接的桥式整流/逆变模块3、驱动板6和控制板7，所述的桥式整流/逆变模块3由IGBT T1、IGBT T2、IGBT T3并联组成，每个IGBT上均反向并联二极管，桥式整流/逆变模块3的DC+、DC-直流输入端并联有支撑电容1和泄能电阻2，桥式整流/逆变模块3的DC+、DC-直流输入端还通过预充电电阻5引出PC+、PC-预充电电源输入端，其中DC-直流输入端还引出DCN端子，桥式整流/逆变模块3的三个桥臂分别引出U、V、W交流输出端，所述的控制板7上分别设置有电压采样接口和电流采样接口，还包括由三个交流电流传感器TA1、TA2、TA3和一个直流电流传感器TA4组成的电流测量模块4，电流传感器TA1、TA2、TA3分别设置在U、V、W交流输出端并与电流采样接口连接，电流传感器TA4设置在DC+输入端并与电流采样接口连接。
本发明电源变换装置分为主回路与二次回路，主回路由支撑电容1、泄能电阻2、桥式整流/逆变模块3、预充电电阻5组成，二次回路由电流测量模块4、驱动板6、控制板7组成。主回路是电源变换装置的核心，为实现电能变换提供了硬件基础。主回路工作在各种不同模式时，二次回路均可以对主回路进行有效控制、监测与保护。二次回路还具有与外部设备的电路或通讯接口，可以接受外部设备的控制指令，也可以发送电源变换装置工作状态参数到外部设备。
其中所述的支撑电容1为薄膜电容，由电容C1组成。当电源变换装置作为整流器使用时，支撑电容1可以为直流输出电压进行平滑滤波；当电源变换装置作为逆变器或逆变电源使用时，支撑电容1可以吸收来自桥式整流/逆变模块3的高幅值脉动电流，防止直流侧产生高幅值脉动电压。
其中所述的泄能电阻2为平面厚膜无电感功率电阻，由电阻R1组成，其作用是当电源变换装置停机后，可以在一定时间内使支撑电容1储存的能量消耗掉，消除危险隐患。
其中所述的预充电电阻5为普通功率电阻，由电阻R2、R3组成。当电源变换装置作为逆变器或逆变电源使用时，首先通过PC+、PC-预充电电源输入端为支撑电容1预充电，预充电电阻5可以限制预充电电流；预充电完成以后再通过DC+、DC-直流输入端正常供电，避免对直流电源造成冲击。
其中所述的驱动板6与桥式整流/逆变模块3之间采用电气或光纤连接，可以控制IGBT的开通关断以及保护IGBT。而控制板7与驱动板6之间采用电气连接，控制板7具有电压、电流采样接口及功能，电压、电流信号可以来自本装置内部或外部，控制板7具有与外部设备的电路或通讯接口。控制板7的控制核心为DSP，可以通过更改软件程序配置实现不同控制算法，使电源变换装置工作在不同模式，控制板7可以为电源变换装置起到保护作用。
本发明电源变换装置的工作模式与用途可分为三种：直流-交流变换工作模式，用于逆变器、逆变电源；交流-直流变换工作模式，用于整流器；直流-直流变换工作模式，用于充放电装置。电源变换装置原理示意图如图1所示，根据不同的工作模式及用途，部分元器件为可选装配。
图2～图5为本发明电源变换装置不同工作模式示意图：图2为直流-交流变换的逆变器，图3为直流-交流变换的逆变电源，图4为交流-直流变换的整流器，图5为直流-直流变换的充放电装置（注：图中虚框内设备非本发明内容，下同）。
本发明电源变换装置的短路保护方法，包括如下步骤：
当用于直流-交流变换模式时，DC+、DC-输入端用于直流输入，PC+、PC-输入端用于预充电电源输入，输入的直流电源经过桥式整流/逆变模块3逆变后从U、V、W交流输出端输出，可以作为逆变器变频驱动交流电动机或作为逆变电源使用（需外接正弦波滤波器）。
当作为逆变器使用变频驱动交流电动机，发生U、V、W交流输出端短路时，控制板7即时向驱动板6发送脉冲封锁信号，驱动板6封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
当作为逆变电源使用，U、V、W交流输出端短路时，控制板7即时向驱动板6发送控制指令，使交流输出电流限制在短路限制值：当交流输出电流在5秒内恢复正常，即低于短路限制值，电源变换装置自动恢复正常工作；否则，当交流输出电流在5秒内未恢复正常，控制板7向驱动板6发送脉冲封锁信号，驱动板6封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
工作于交流-直流变换模式时，U、V、W交流输出端为交流输入端，输入的交流电源经过桥式整流/逆变模块3整流后，从DC+、DC-直流输入端输出；当作为整流器使用，发生DC+、DC-直流输出端短路时，控制板7即时向驱动板6发送脉冲封锁信号，驱动板6封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
工作于直流-直流变换模式时，DC+、DC-输入端连接充电电源的直流母线，经过电源变换装置及滤波器可以为电池充电，U、V、W交流输出端外接滤波器后与DCN端子连接电池，电池电源经过滤波器及电源变换装置可以从DC+、DC-输出稳定直流电，当作为充放电装置使用，发生输出端短路时，控制板7即时向驱动板6发送脉冲封锁信号，驱动板6封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
图6～图9为本发明电源变换装置短路保护流程图：图6为直流-交流变换时的逆变器短路保护流程，图7为直流-交流变换时的逆变电源短路保护流程，图8为交流-直流变换时的整流器短路保护流程，图9为直流-直流变换时的充放电装置短路保护流程。
当电源变换装置工作在直流-交流变换，作为逆变器使用时，控制板7采用空间电压矢量调制（SVPWM）等控制算法，U、V、W端输出频率及占空比受控的调制方波，等效为频率及电压受控的正弦波，可以实现交流电动机的变频调速，包括异步感应电机和永磁电机。
当电源变换装置工作在直流-交流变换，作为逆变器使用时，发生交流输出端相间短路时，控制板7通过电流测量模块4实时检测到任一输出相电流超过短路阈值，触发短路保护条件。控制板7即时向驱动板6发送脉冲封锁信号，驱动板6封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
当电源变换装置工作在直流-交流变换，作为逆变电源使用时，控制板7采用正弦波脉宽调制（SPWM）等控制算法，U、V、W端输出外接正弦波滤波器，实现三相380V、50Hz标准交流电输出，进一步可以通过变压器变换为单相220V、50Hz标准交流电，为不同交流日用负荷供电。
当电源变换装置工作在直流-交流变换，作为逆变电源使用时，发生交流输出端相间短路时，控制板7通过电流测量模块4实时检测到任一输出相电流超过短路阈值，触发短路保护条件。控制板7即时向驱动板6发送控制指令，电源变换装置切换到电流闭环、电压开环控制模式，使输出电流限制在短路限制值。当输出电流在5秒内恢复正常，即低于短路限制值，电源变换装置自动切换到电压、频率闭环控制模块，输出三相380V、50Hz标准交流电，恢复正常工作。当交流输出电流在5秒内未恢复正常，控制板7向驱动板6发送脉冲封锁信号，驱动板6封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
上述短路限制值为电源变换装置作为逆变电源使用时所能提供的最大短时短路电流，电源变换装置输出超过此值或达到此值超过一定时间，将导致设备硬件损坏。
当电源变换装置工作在交流-直流变换，作为整流器使用时，控制板7可以采用高频整流控制算法，DC+、DC-端输出电压受控的直流电。同时控制板7实时检测U、V、W端输入交流电的电压和电流，结合控制算法，可以提高U、V、W端输入交流电的功率因数，降低U、V、W端输入交流电的谐波。此工作模式为主动前端（AFE）整流器。
当电源变换装置工作在交流-直流变换，作为整流器使用，发生直流输出端正负极短路时，控制板7通过电流测量模块4直流电流传感器TA4实时检测到直流输出电流超过短路阈值，触发短路保护条件。控制板7即时向驱动板6发送脉冲封锁信号（仅工作模式为主动前端（AFE）整流器时），控制板7同时通过外部接口发送指令，分断U、V、W交流输入端外部电源开关，电源变换装置停止工作。
当电源变换装置工作在交流-直流变换，作为整流器使用时，控制板7可以不采用控制算法，桥式整流/逆变模块3构成三相桥式不控整流电路，DC+、DC-端输出直流电。此工作模式为二极管前端（DFE）整流器。
当电源变换装置工作在直流-直流变换，作为充放电装置使用时，控制板7采用闭环控制算法，U、V、W端外接滤波器后与DCN连接电池，DC+、DC-端输出受控的稳定直流电，可以为逆变器、逆变电源等设备提供稳定的电源。另外DC+、DC-可以连接直流充电电源，经过电源变换装置及滤波器可以为电池充电。
当电源变换装置工作在直流-直流变换，作为充放电装置使用，发生输出端正负极短路时，控制板7通过电流测量模块4实时检测到电流超过短路阈值，触发短路保护条件。控制板7即时向驱动板6发送脉冲封锁信号，驱动板6封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
电源变换装置可以多台输出并联运行：当作为逆变器使用时，交流输出端U、V、W可以并联运行；当作为逆变电源使用时，交流输出端U、V、W外接正弦波滤波器后可以并联运行；当作为整流器使用时，直流输出端DC+、DC-可以并联运行。
图10～图12为本发明电源变换装置并联运行模式示意图：图10为逆变器并联运行示意图；图11为逆变电源并联运行示意图；图12为整流器并联运行示意图。
电源变换装置并联运行时，当某电源变换装置故障停机时，其余电源变换装置可保持运行，但进入功率限制状态，防止正常电源变换装置过载。电源变换装置故障排除后，可以故障复位，重新投入运行。
电源变换装置之间可以通过外部接口通讯，由控制板7实现各电源变换装置间负载均衡。
作为整流器使用的电源变换装置，其直流输出端DC+、DC-可以连接逆变器的输入端DC+、DC-，组成变频器运行，如图13所示，由两个如权利要求1所述的电源变换装置串联连接而成，或者由多个电源变换装置组并联连接而成，每个电源变换装置组由两个如权利要求1所述的电源变换装置串联连接而成，成组的两个电源变换装置的DC+、DC-直流输入端相互连接，两个电源变换装置的PC+、PC-预充电电源输入端并联连接，一个电源变换装置的U、V、W交流输出端连接交流电源，一个电源变换装置的U、V、W交流输出端连接电机，其中本发明并联组成变频器运行驱动单台电机运行时如图14所示，并联组成变频器运行驱动多台电机运行时如图15所示。
作为整流器使用的电源变换装置，亦可多台直流输出端DC+、DC-并联后，再连接多台逆变器的输入端DC+、DC-，以提高作为变频器运行时的输出容量。多台逆变器可以并联驱动一台电机或者分别驱动不同电机。
以全电动船应用为例，全电动船一般采用锂电池等化学电源作为原动力，以往化学电源经电池管理系统（BMS）后直接去往直流母线，再连接各类负载。由于化学电源本身特性，其输出直流电压会随着放电逐步降低，当直流电压下降到一定程度，将影响冲击性负载设备的投切，限制主推进负载的机动性，降低全船电网的可靠性。采用本电源变换装置，工作在直流-直流变换作为充放电装置使用，电池电源经电池管理系统（BMS）后连接电源变换装置及滤波器，再去往直流母线，直流母线电压受控且稳定可靠。
另外电源变换装置DC+、DC-可以连接直流充电电源，经过电源变换装置及滤波器可以为全电动船电池充电。当发生直流母线侧短路，电源变换装置可以及时故障停机，为前端的化学电源及电池管理系统（BMS）提供可靠保护。
全电动船主推进一般采用交流电动机驱动螺旋桨或者直接采用吊舱推进。采用本电源变换装置，工作在直流-交流变换作为逆变器使用，电源变换装置从直流母线取电，可以就近布置在推进设备旁，高效驱动推进设备运转，且舱室布置更加灵活。当单台电源变换装置功率不足时，还可以多台并联运行。
当发生电源变换装置输出侧短路，电源变换装置可以及时故障停机，防止直流母线失电，为直流母线上其他负载提供保护。
全电动船有大量交流负载设备需要供电，采用本电源变换装置，工作在直流-交流变换作为逆变电源使用，电源变换装置从直流母线取电，输出稳定的交流电进入交流配电板，进而为全船交流日用负荷供电。当单台电源变换装置功率不足时，还可以多台并联运行。
当发生电源变换装置输出侧短路，电源变换装置可以承受5秒时长的短路电流，供下级回路选择性保护动作，防止交流电网失电，为交流电网上其他负载提供保护。
上述实施方式可以实现全电动船核心电力电子设备的通用化、标准化。
以其他电力推进船舶应用为例，电站一般采用交流发电机并网运行，主推进一般采用交流电动机驱动螺旋桨或者直接采用吊舱推进。采用本电源变换装置组成变频器运行，从交流电网取电，可以高效驱动推进设备运转。当功率不足时，还可以多台并联运行。
当发生电源变换装置输出侧短路，电源变换装置可以及时故障停机，防止全船电网失电，为电网上其他负载提供保护。
本电源变换装置也可以组成变频器运行，驱动风机、泵类等负载并提供可靠短路保护，应用于其他类型船舶以及非船领域。
图16为本发明中电源变换装置应用于全电动船示意图，图中ACB0为母联开关，ACB1为充电电源开关，ACB2……ACBn为电池组主开关，ACB11、ACB14为逆变电源开关，ACB12、ACB13为推进开关，图中充放电装置、逆变器、逆变电源均由电源变换装置构成。
图17为本发明中电源变换装置应用于其他类型船舶示意图，图中ACB0为母联开关，ACB1……ACBn为发电机组主开关，ACB11、ACB14为交流负载开关，ACB12、ACB13为推进开关，图中整流器、逆变器均由电源变换装置构成。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电源变换装置，其特征在于：包括顺序连接的桥式整流/逆变模块（3）、驱动板（6）和控制板（7），所述的桥式整流/逆变模块（3）由反向并联二极管的IGBT T1～IGBT T3并联组成，桥式整流/逆变模块（3）的DC+、DC-直流输入端并联有支撑电容（1）和泄能电阻（2），桥式整流/逆变模块（3）的DC+、DC-直流输入端还通过预充电电阻（5）引出PC+、PC-预充电电源输入端，其中DC-直流输入端还引出DCN端子，桥式整流/逆变模块（3）的三个桥臂分别引出U、V、W交流输出端，所述的控制板（7）上分别设置有电压采样接口和电流采样接口，还包括由三个交流电流传感器TA1、TA2、TA3和一个直流电流传感器TA4组成的电流测量模块（4），电流传感器TA1、TA2、TA3分别设置在U、V、W交流输出端并与电流采样接口连接，电流传感器TA4设置在DC+输入端并与电流采样接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种电源变换装置，其特征在于，所述的支撑电容（1）为薄膜电容，所述的泄能电阻（2）为平面厚膜无电感功率电阻，所述的预充电电阻（5）为普通功率电阻。
3.根据权利要求1所述的一种电源变换装置，其特征在于，所述的驱动板（6）与桥式整流/逆变模块（3）之间采用电气或光纤连接，以控制IGBT的开通关断以及保护IGBT；所述的控制板（7）与驱动板（6）之间采用电气连接，控制板（7）以DSP为控制核心，使电源变换装置工作在不同模式并为电源变换装置起到保护作用。
4.一种如权利要求1所述电源变换装置的短路保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
直流-交流变换模式时，DC+、DC-输入端用于直流输入，PC+、PC-输入端用于预充电电源输入，输入的直流电源经过桥式整流/逆变模块（3）逆变后从U、V、W交流输出端输出；当作为逆变器使用变频驱动交流电动机，发生U、V、W交流输出端短路时，控制板（7）即时向驱动板（6）发送信号，电源变换装置停止工作；当作为逆变电源使用，U、V、W交流输出端短路时，控制板（7）即时向驱动板（6）发送控制指令，交流输出电流限制在短路限制值：当交流输出电流低于短路限制值，电源变换装置自动恢复正常工作；否则控制板（7）向驱动板（6）发送信号，电源变换装置停止工作；
交流-直流变换模式时，U、V、W交流输出端为交流输入端，输入的交流电源经过桥式整流/逆变模块（3）整流后，从DC+、DC-直流输入端输出；当作为整流器使用，发生DC+、DC-直流输出端短路时，控制板（7）即时向驱动板（6）发送信号，电源变换装置停止工作；
直流-直流变换模式时，DC+、DC-输入端连接充电电源，U、V、W交流输出端外接滤波器后与DCN端子连接电池，当作为充放电装置使用，发生输出端短路时，控制板（7）即时向驱动板（6）发送信号，电源变换装置停止工作。
5.根据权利要求4所述的短路保护方法，其特征在于，作为逆变器使用时，控制板（7）采用空间电压矢量调制控制算法，U、V、W交流输出端输出频率及占空比受控的调制方波，等效为频率及电压受控的正弦波，以实现异步感应电机或永磁电机的变频调速，发生交流输出端相间短路时，控制板（7）通过电流测量模块（4）实时检测到任一输出相电流超过短路阈值，触发短路保护条件，控制板（7）即时向驱动板（6）发送脉冲封锁信号，驱动板（6）封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
6.根据权利要求4所述的短路保护方法，其特征在于，作为逆变电源使用时，控制板（7）采用正弦波脉宽调制控制算法，U、V、W交流输出端外接正弦波滤波器，实现三相380V、50Hz标准交流电输出，通过变压器变换为单相220V、50Hz标准交流电为不同交流日用负荷供电，发生交流输出端相间短路时，控制板（7）通过电流测量模块（4）实时检测到任一输出相电流超过短路阈值，触发短路保护条件，控制板（7）即时向驱动板（6）发送控制指令，电源变换装置切换到电流闭环、电压开环控制模式，使输出电流限制在短路限制值，当输出电流在5秒内恢复正常，电源变换装置自动切换到电压、频率闭环控制模块，输出三相380V、50Hz标准交流电，恢复正常工作，当交流输出电流在5秒内未恢复正常，控制板（7）向驱动板（6）发送脉冲封锁信号，驱动板（6）封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
7.根据权利要求4所述的短路保护方法，其特征在于，作为整流器使用时，控制板（7）采用高频整流控制算法，DC+、DC-端输出电压受控的直流电，控制板（7）实时检测U、V、W端输入交流电的电压和电流，工作模式为主动前端整流器，发生直流输出端正负极短路时，控制板（7）通过电流测量模块（4）直流电流传感器TA4实时检测到直流输出电流超过短路阈值，触发短路保护条件，控制板（7）即时向驱动板（6）发送脉冲封锁信号，控制板（7）同时通过外部接口发送指令，分断U、V、W交流输入端外部电源开关，电源变换装置停止工作。
8.根据权利要求4所述的短路保护方法，其特征在于，作为整流器使用时，桥式整流/逆变模块（3）构成三相桥式不控整流电路，DC+、DC-端输出直流电，工作模式为二极管前端整流器。
9.根据权利要求4所述的短路保护方法，其特征在于，作为充放电装置使用时，控制板（7）采用闭环控制算法，DC+、DC-端输出受控的稳定直流电，发生输出端正负极短路时，控制板（7）通过电流测量模块（4）实时检测到电流超过短路阈值，触发短路保护条件，控制板（7）即时向驱动板（6）发送脉冲封锁信号，驱动板（6）封锁脉冲后，电源变换装置停止工作。
10.一种变频器，其特征在于，由两个如权利要求1所述的电源变换装置串联连接而成；或者由多个电源变换装置组并联连接而成，每个电源变换装置组由两个如权利要求1所述的电源变换装置串联连接而成；成组的两个电源变换装置的DC+、DC-直流输入端相互连接，两个电源变换装置的PC+、PC-预充电电源输入端并联连接，一个电源变换装置的U、V、W交流输出端连接交流电源，一个电源变换装置的U、V、W交流输出端连接电机。
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