CN113629988B - 一种pwm整流器及其短路保护装置 - Google Patents

一种pwm整流器及其短路保护装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种PWM整流器及其短路保护装置，该PWM整流器的短路保护装置包括：设置于PWM整流器的交流侧和直流侧之间的AC/DC电路；在PWM整流器的直流侧发生短路时，AC/DC电路处于导通状态，以旁路部分流经PWM整流器中IGBT反并联的二极管的短路电流；也即，本申请提供的PWM整流器的短路保护装置中的AC/DC电路能够在PWM整流器的直流侧发生短路时，导通自身以旁路部分流经PWM整流器中IGBT反并联的二极管的短路电流，减小了流经IGBT反并联的二极管的短路电流，避免了过流损坏，实现了对PWM整流器中的功率器件的保护。

Description

一种PWM整流器及其短路保护装置
技术领域
本发明涉及短路保护技术领域，具体涉及一种PWM整流器及其短路保护装置。
背景技术
PWM整流器具有四象限运行、谐波电流小等优点，广泛应用于光伏逆变器、风机变流器、储能变流器等常规新能源领域，以及新兴的制氢领域。
目前，在PWM整流器的常规应用中较为棘手的问题是直流侧短路保护。如图1和图2所示，由于其IGBT反并联的二极管一般为快速恢复二极管，其电流耐受能力较弱。即使在PWM整流器的交流侧增加熔断器或者断路器等硬件过流保护装置，也很难在PWM整流器的直流侧发生短路时，保护住IGBT(图2中的T1)反并联的二极管(图2中的D1)。
发明内容
对此，本申请提供一种PWM整流器及其短路保护装置，以解决PWM整流器在直流侧发生短路时，其IGBT反并联的二极管容易被损坏的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明第一方面公开了一种PWM整流器的短路保护装置，包括：设置于所述PWM整流器的交流侧和直流侧之间的AC/DC电路；
在所述PWM整流器的直流侧发生短路时，所述AC/DC电路处于导通状态，以旁路部分流经所述PWM整流器中IGBT反并联的二极管的短路电流。
可选地，在上述的PWM整流器的短路保护装置中，所述AC/DC电路始终处于常通状态，或者，在检测出所述PWM整流器的直流侧发生短路后被触发进入常通状态。
可选地，在上述的PWM整流器的短路保护装置中，若所述AC/DC电路始终处于常通状态，所述短路保护装置还包括：
设置于所述AC/DC电路的直流侧与所述PWM整流器的直流侧之间的防逆流装置，用于防止所述PWM整流器的输出电流回流至所述AC/DC电路的直流侧。
可选地，在上述的PWM整流器的短路保护装置中，还包括：
设置于所述AC/DC电路的直流侧的负载，用于确保所述AC/DC电路中的功率器件处于完全导通状态。
可选地，在上述的PWM整流器的短路保护装置中，所述负载，包括：
带DCDC变换器的所述PWM整流器的风扇负载；和/或，
带DCDC变换器的所述PWM整流器的控制电源负载；和/或，
带DC/AC变换器的交流负载。
可选地，在上述的PWM整流器的短路保护装置中，所述防逆流装置包括：至少一个防反二极管；
所述防反二极管的阳极与所述AC/DC电路的直流侧正极相连，所述防反二极管的阴极与所述PWM整流器的直流侧正极相连；
或者，所述防反二极管的阴极与所述AC/DC电路的直流侧负极相连，所述防反二极管的阳极与所述PWM整流器的直流侧负极相连。
可选地，在上述的PWM整流器的短路保护装置中，所述AC/DC电路包括：晶闸管相控整流器；
所述晶闸管相控整流器中的晶闸管始终接收常通触发信号，以使所述AC/DC电路始终处于常通状态；或者，
在检测出所述PWM整流器的直流侧发生短路后，所述晶闸管相控整流器中的晶闸管接收常通触发信号，以使所述AC/DC电路被触发进入常通状态。
可选地，在上述的PWM整流器的短路保护装置中，所述晶闸管相控整流器的相数与所述PWM整流器的相数相同。
可选地，在上述的PWM整流器的短路保护装置中，所述晶闸管相控整流器为单相、三相或四相拓扑。
本发明第二方面公开了一种PWM整流器，包括：主电路拓扑，以及设置于所述主电路拓扑的交流侧与直流侧之间的、如上述第一方面公开的任一项所述的PWM整流器的短路保护装置。
可选地，在上述的PWM整流器中，还包括：设置于所述主电路拓扑交流侧的过流保护装置，用于实现对所述PWM整流器的过流保护。
可选地，在上述的PWM整流器中，所述主电路拓扑为单相、三相，或者四相拓扑。
可选地，在上述的PWM整流器中，所述主电路拓扑为两电平，或者，三电平。
可选地，在上述的PWM整流器中，还包括：控制模块，用于实现对于所述主电路拓扑和所述短路保护装置的控制。
本发明提供的PWM整流器的短路保护装置，包括：设置于PWM整流器的交流侧和直流侧之间的AC/DC电路；在PWM整流器的直流侧发生短路时，AC/DC电路处于导通状态，以旁路部分流经PWM整流器中IGBT反并联的二极管的短路电流；也即，本申请提供的PWM整流器的短路保护装置中的AC/DC电路能够在PWM整流器的直流侧发生短路时，导通自身以旁路部分流经PWM整流器中IGBT反并联的二极管的短路电流，减小了流经IGBT反并联的二极管的短路电流，避免了过流损坏，实现了对PWM整流器中的功率器件的保护。
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为本申请实施例提供的一种现有的PWM整流器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种PWM整流器中IGBT及其反并联的二极管的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种PWM整流器的短路保护装置的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种PWM整流器的短路保护装置的电路结构图；
图5为本申请实施例提供的另一种PWM整流器的短路保护装置的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种PWM整流器的短路保护装置的电路结构图；
图7为本申请实施例提供的一种PWM整流器的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本申请实施例提供一种PWM整流器的短路保护装置，以解决PWM整流器直流侧发生短路时，其IGBT反并联的二极管容易被损坏的问题。
请参见图3，该PWM整流器的短路保护装置可以包括：设置于PWM整流器102的交流侧和直流侧之间的AC/DC电路101。
在PWM整流器102的直流侧发生短路时，AC/DC电路101处于导通状态，以旁路部分流经PWM整流器中IGBT反并联的二极管的短路电流。
实际应用中，AC/DC电路101始终处于常通状态，或者，AC/DC电路在检测出PWM整流器102的直流侧发生短路后被触发进入常通状态；视具体应用环境和用户需求确定即可，本申请不作具体限定，均属于本申请的保护范围。
需要说明的是，AC/DC电路101处于常通状态一般指代AC/DC电路101中的功率器件一直处于导通状态。
具体的，如图4所示，该AC/DC电路101可以是：晶闸管相控整流器。实际应用中，晶闸管相控整流器中的晶闸管始终接收常通触发信号，以使AC/DC电路101始终处于常通状态；或者，在检测出PWM整流器的直流侧发生短路后，晶闸管相控整流器中的晶闸管接收常通触发信号，以使AC/DC电路101被触发进入常通状态。
需要说明的是，晶闸管相控整流器中的晶闸管在接收到常通触发信号时，触发自身处于导通状态。由于晶闸管的电流耐受能力强于IGBT反并联的二极管，通过晶闸管相控整流器分流大部分的短路电流，从而确保在过流保护装置动作前，IGBT反并联的二极管不被损坏。
实际应用中，晶闸管相控整流器的相数与PWM整流器102的相数相同，图4示出了PWM整流器102的相数和晶闸管相控整流器的相数均为3的情况。具体的，同样如图4所示，晶闸管相控整流器的每一相，包括：两个阴阳极串联连接的晶闸管，连接点连接至PWM整流器102相应的交流侧；串联后晶闸管的两端分别连接至PWM整流器102相应的直流侧。
其中，串联后晶闸管的阳极一端连接至PWM整流器102直流侧的负极；串联后晶闸管的阴极一端连接至PWM整流器102直流侧的正极。
实际应用中，若晶闸管相控整流器的相数大于1，晶闸管相控整流器中的各相并联，也即图4中的情况。具体的，并联的方式可以是：各相中的串联后的晶闸管两端分别并联。
需要说明的是，晶闸管相控整流器可以为单相、三相或者四相拓扑，视具体应用环境和用户需求确定即可，本申请不作具体限定，均属于本申请的保护范围。
还需要说明的是，关于晶闸管相控整流器的相关说明，还可以参见现有技术，本申请不再赘述。
基于上述原理，本实施例提供的PWM整流器的短路保护装置能够在PWM整流器102的直流侧发生短路时，AC/DC电路101处于导通状态，以旁路部分流经PWM整流器102中IGBT反并联的二极管的短路电流，减小了流经IGBT反并联的二极管的短路电流，避免了IGBT反并联的二极管的过流损坏，实现了对PWM整流器102中的功率器件的保护。
可选地，在本申请提供的另一实施例中，在AC/DC电路101始终处于常通状态的情况下，如图5所示，该PWM整流器的短路保护装置还可以包括：设置于AC/DC电路101的直流侧与PWM整流器的直流侧之间的防逆流装置104，用于防止PWM整流器102的输出电流回流至AC/DC电路101的直流侧。
实际应用中，防逆流装置104包括：至少一个防反二极管，图6中仅以一个防反二极管为例。
结合图6，防反二极管的阳极与AC/DC电路101的直流侧正极相连，防反二极管的阴极与PWM整流器102的直流侧正极相连。
需要说明的是，若防反二极管的个数大于1，各个防反二极管按照预设防逆流方向，依次串联。其中，预设防逆流方向中电流的流向与AC/DC电路101中的电流流向相同。
实际应用中，一般的IGBT反并联的二极管的大电流耐受时间级别为us级，PWM整流器102的交流侧增加的熔断器或者断路器等硬件过流保护装置(也即图3至图6中的103)的动作时间级别为ms级，PWM整流器102内部的输入开关的动作时间也是ms级，而AC/DC电路101在检测出PWM整流器的直流侧发生短路后处于常通状态，需要一定的触发反应时间，为此，可以通过在PWM整流器的短路保护装置中增设防逆流装置104，以实现AC/DC电路101始终处于常通状态，并且无需限制PWM整流器102工作时的输出电压上限，能够在PWM整流器102工作时的输出电压大于AC/DC电路101输出的直流电压的情况下，依然保证AC/DC电路101的正常工作，兼容PWM整流器102工作时的输出电压大于AC/DC电路输出101的直流电压的情况。
同理，防反二极管的阴极与AC/DC电路101的直流侧负极相连，防反二极管的阳极与PWM整流器102的直流侧负极相连，也是可以实现上述效果。在此不再详细赘述，均属于本申请的保护范围。
实际应用中，为了使得AC/DC电路101对PWM整流器102短路保护效果达到最优，同样请参见图5，该PWM整流器的短路保护装置还可以包括：设置于AC/DC电路101的直流侧的负载105，用于确保AC/DC电路中的功率器件处于完全导通状态。
需要说明的是，结合图6，该负载105可以是：带DCDC变换器的PWM整流器102的风扇负载，和/或，带DCDC变换器的PWM整流器102的控制电源负载，和/或，带DCAC变换器的交流负载；当然，还可以是其他类型的负载，视具体应用环境和用户需求确定即可，本申请不作具体限定，均属于本申请的保护范围。
需要说明的是，若负载105为带DCDC变换器的PWM整流器102的控制电源负载，和/或，带DCDC变换器的PWM整流器102的风扇负载时，还能够利用AC/DC电路作为PWM整流器中某些器件的供电电源，避免AC/DC电路上能量的浪费。
需要说明的是，当AC/DC电路101为晶闸管相控整流器时，晶闸管相控整流器中的晶闸管一般在有驱动信号、且有正向电压情况下，完全导通所需的时间级别为us级，而IGBT反并联的二极管耐受大电流的级别也是us级，为了确保PWM整流器102在短路瞬间，晶闸管相控整流器中的晶闸管已经完全处于导通状态，可以增加一个负载105。
可选地，本申请另一实施例还提供了一种PWM整流器，请参见图7，该PWM整流器可以包括：主电路拓扑201，以及设置于主电路拓扑201的交流侧与直流侧之间的、如上述任一实施例所述的PWM整流器的短路保护装置202。
实际应用中，PWM整流器的短路保护装置202用于PWM整流器发生短路时，将自身导通，以旁路部分流经主电路拓扑201中IGBT反并联的二极管的短路电流。
需要说明的是，该主电路拓扑201可以是为单相、三相或者四相拓扑，图7中示出的主电路拓扑201为三相拓扑。该主电路拓扑201也可以是两电平，或者三电平，视具体应用环境和用户需求确定即可，本申请不作具体限定，均属于本申请的保护范围。
具体的，结合图7，在三相PWM整流器的主电路拓扑201中，可以包括：输入电感，用于传递能量、抑制高次谐波和平衡交流侧电压和电网电压；滤波电容，用于为高次谐波电流提供低阻抗通路，减少直流电压纹波；功率管器件，也即IGBT，通过控制IGBT通断能够实现分别控制三相PWM整流器的上桥臂和下桥臂导通状态。
需要说明的是，该主电路拓扑201的交流侧的每一相上还可以设置有开关，用于控制主电路拓扑201中相应的每一相的导通。
实际应用中，同样如图7所示，该PWM整流器还包括：设置于主电路拓扑交流侧的过流保护装置203，用于实现对PWM整流器的过流保护。
其中，该过流保护装置203可以包括：串联于PWM整流器中主电路拓扑201的交流侧每一相输入端的熔断器或者断路器。
需要说明的是，图7仅示出主电路拓扑201为三相拓扑时对应的过流保护装置203的一种具体结构；但在实际应用中，还可以视具体应用环境和用户需求，采用其他现有方案作为过流保护装置203，本申请对过流保护装置203的具体结构不作具体限定，均属于本申请的保护范围。
还需要说明的是，实际应用中，该PWM整流器还可以包括：控制模块(未进行图示)，用于实现对于主电路拓扑201和短路保护装置203的控制。
在实际应用中，也可视具体应用环境和用户需求，在PWM整流器所处系统存在控制器时，也无需在PWM整流器中增设额外的控制模块，通过相应系统中的控制器实现PWM整流器以及系统内其他设备的全部控制即可。
本实施例提供的PWM整流器，包括：主电路拓扑201，以及设置于主电路拓扑201的交流侧与直流侧之间的、如上述任一实施例所述的PWM整流器的短路保护装置202，不仅能够在PWM整流器的直流侧发生短路时，通过AC/DC电路旁路部分流经PWM整流器中IGBT反并联的二极管的短路电流，实现对主电路拓扑201中IGBT反并联的二极管的短路保护，还能实现整个PWM整流器的输出直流电压可以由零开始，稳压输出最低电压不受限于电网电压，也即可以通过控制短路保护装置202中的各晶闸管的导通角来实现整个PWM整流器输出直流电压由零电压开始。
本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，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。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。

Claims (11)

1.一种PWM整流器的短路保护装置，其特征在于，包括：设置于所述PWM整流器的交流侧和直流侧之间的AC/DC电路；
在所述PWM整流器的直流侧发生短路时，所述AC/DC电路处于导通状态，以旁路部分流经所述PWM整流器中IGBT反并联的二极管的短路电流，从而减小流经所述IGBT反并联的二极管的短路电流，实现对所述PWM整流器中的功率器件的保护；其中，所述PWM整流器正常运行前，通过控制所述短路保护装置中的各晶闸管的导通角来实现所述PWM整流器输出直流电压由零电压开始；
若所述AC/DC电路始终处于常通状态，设置于所述AC/DC电路的直流侧与所述PWM整流器的直流侧之间的防逆流装置，用于防止所述PWM整流器的输出电流回流至所述AC/DC电路的直流侧；
设置于所述AC/DC电路的直流侧的负载，用于确保所述AC/DC电路中的功率器件处于完全导通状态。
2.根据权利要求1所述的PWM整流器的短路保护装置，其特征在于，所述负载，包括：
带DCDC变换器的所述PWM整流器的风扇负载；和/或，
带DCDC变换器的所述PWM整流器的控制电源负载；和/或，
带DCAC变换器的交流负载。
3.根据权利要求1所述的PWM整流器的短路保护装置，其特征在于，所述防逆流装置包括：至少一个防反二极管；
所述防反二极管的阳极与所述AC/DC电路的直流侧正极相连，所述防反二极管的阴极与所述PWM整流器的直流侧正极相连；
或者，所述防反二极管的阴极与所述AC/DC电路的直流侧负极相连，所述防反二极管的阳极与所述PWM整流器的直流侧负极相连。
4.根据权利要求1-3任一项所述的PWM整流器的短路保护装置，其特征在于，所述AC/DC电路包括：晶闸管相控整流器；
所述晶闸管相控整流器中的晶闸管始终接收常通触发信号，以使所述AC/DC电路始终处于常通状态；或者，
在检测出所述PWM整流器的直流侧发生短路后，所述晶闸管相控整流器中的晶闸管接收常通触发信号，以使所述AC/DC电路被触发进入常通状态。
5.根据权利要求4所述的PWM整流器的短路保护装置，其特征在于，所述晶闸管相控整流器的相数与所述PWM整流器的相数相同。
6.根据权利要求5所述的PWM整流器的短路保护装置，其特征在于，所述晶闸管相控整流器为单相、三相或四相拓扑。
7.一种PWM整流器，其特征在于，包括：主电路拓扑，以及设置于所述主电路拓扑的交流侧与直流侧之间的、如权利要求1-6任一项所述的PWM整流器的短路保护装置。
8.根据权利要求7所述的PWM整流器，其特征在于，还包括：设置于所述主电路拓扑交流侧的过流保护装置，用于实现对所述PWM整流器的过流保护。
9.根据权利要求7或8所述的PWM整流器，其特征在于，所述主电路拓扑为单相、三相，或者四相拓扑。
10.根据权利要求7或8所述的PWM整流器，其特征在于，所述主电路拓扑为两电平，或者，三电平。
11.根据权利要求7或8所述的PWM整流器，其特征在于，还包括：控制模块，用于实现对于所述主电路拓扑和所述短路保护装置的控制。
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