CN116937997A - 使用栅极-发射极电压感测来检测igbt故障的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的方法，包括接收用于其一个或多个开关装置的命令状态。所述方法还包括接收所述开关装置中的一个或多个开关装置的栅极‑发射极电压。此外，所述方法包括经由至少一个比较器将所述一个或多个开关装置的所述栅极‑发射极电压与对应于所述一个或多个开关装置的所述命令状态的参考电压范围进行比较。另外，所述方法包括基于所述比较来确定所述一个或多个开关装置的实际状态。因此，所述方法还包括基于所述一个或多个开关装置的所述实际状态来实现控制动作。

Description

使用栅极-发射极电压感测来检测IGBT故障的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及电功率系统，并且更具体地涉及用于使用栅极-发射极电压感测来检测电功率系统中的多电平功率转换器中的IGBT故障的系统和方法。
背景技术
风力涡轮作为可再生能源受到越来越多的关注。风力涡轮使用风来生成电力。风使连接到转子的多个叶片转动，该转子连接到用于生成电力的发电机。某些风力涡轮包括双馈感应发电机(DFIG)其用来将风能转换为适于输出到电力网的电功率。DFIG通常连接到调节DFIG与电网之间的电功率流的转换器。更具体地，转换器允许风力涡轮以电网频率输出电功率，而与风力涡轮叶片的旋转速度无关。
典型的DFIG系统包括具有转子和定子的风力驱动DFIG。DFIG的定子通过定子母线耦合到电力网。功率转换器用于将DFIG的转子耦合到电力网。功率转换器可以是包括转子侧转换器和线路侧转换器的两级功率转换器。转子侧转换器可以经由转子母线从转子接收交流(AC)功率，并且可以将AC功率转换为DC功率。线路侧转换器然后可以将DC功率转换成具有适当输出频率(例如电网频率)的AC功率。AC功率经由线路母线提供给电力网。辅助功率馈给器可以耦合到线路母线，以便为风力涡轮系统中使用的组件(例如风扇、泵、马达和风力涡轮系统的其它组件)提供功率。
多电平转换器(例如中性点箝位转换器和有源中性点箝位转换器)通常用于高功率工业应用，例如变速驱动(VSD)系统，或用于能量转换应用，例如太阳能(或光伏)功率生成系统、风力涡轮发电机或船舶和流体动力功率生成系统。多电平转换器的一般功能是要通过通常从电容器电压源获得的若干电平的电压来合成正弦电压。三电平转换器包括与作为中性点的中心抽头串行的两个电容器电压。三电平转换器的每个相支路具有两对串行的开关装置。开关装置的电流是双向的，通常实现为单向电子开关装置(例如IGBT，IGCT)和二极管(续流二极管)的反并联连接。
偶尔(并且由于各种原因)，多电平转换器中的开关装置在短路状况下失效。例如，如果由于电应力或过电流而在开关装置内存在大的功率损耗，则开关装置过热，这可能导致开关装置的热击穿。类似地，当电感负载或电感电流被切断时，开关装置可能经历导致开关装置的电压击穿的过电压。一旦开关装置由于过热或过电压而损坏或毁坏，应迅速采取保护措施以防止可能导致整个多电平转换器桥的毁坏的连锁反应。
特别地，当三电平有源中性点(ANPC)转换器的IGBT之一失效并且未被检测到时，其遭受级联失效模式。这可以包括在具有失效装置的单相支路之外对整个桥的损坏，导致非常昂贵的修理。为了限制损坏，失效的IGBT必须被非常快速地检测，并且功率转换器必须响应安全地关闭，以便限制对单相支路的损坏。此外，这种检测必须非常快地发生(以微秒测量)以限制失效传播。
因此，重要的是提供对多电平转换器的灾难性失效的保护，该灾难性故障是由于开关装置之一的失效(例如多电平功率转换器中的IGBT失效)引起的。因此，本公开涉及用于使用栅极-发射极电压感测来检测电功率系统中的多电平功率转换器中的IGBT失效的系统和方法。特别地，本公开使用多个比较器来比较IGBT栅极的实际状态与其命令状态。
发明内容
本公开的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中显而易见，或可通过本公开的实践来学习。
在一个方面中，本公开涉及一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的计算机实现的方法。多电平功率转换器具有耦合到DC链路的第一转换器。多电平功率转换器具有多个开关装置。所述方法包括经由控制器来接收用于多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态。所述方法还包括经由控制器来接收多个开关装置中的一个或多个开关装置的栅极-发射极电压。此外，所述方法包括经由所述控制器的至少一个比较器来将所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的栅极-发射极电压与对应于来自所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态的参考电压范围进行比较。另外，所述方法包括经由控制器基于比较来确定多个开关装置中的一个或多个开关装置的实际状态。因此，所述方法还包括经由控制器基于多个开关装置中的一个或多个开关装置的实际状态来实现控制动作。
在另一方面中，本公开涉及一种具有多个相支路的多电平桥式功率转换器。多电平桥式功率转换器包括经由DC链路耦合在一起的第一转换器和第二转换器。第一和第二转换器中的每个包括多个开关装置和控制器配置成操作第一和第二转换器。所述控制器包括至少一个处理器，所述至少一个处理器配置成执行多个操作，包括但不限于：接收用于多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态；接收所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的栅极-发射极电压；经由所述控制器的至少一个比较器来将所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的栅极-发射极电压与来自所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的所述命令状态相对应的参考电压范围进行比较；基于所述比较来确定所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的实际状态；以及基于所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的所述实际状态来实现控制动作。还应当理解，多电平桥式功率转换器还可以包括本文描述的附加特征中的任何附加特征。
参考以下描述和所附权利要求书，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成本说明书的部分的附图图示本公开的实施例，并与描述一起用于阐释本公开的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述本公开(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1图示根据本公开的风力涡轮的实施例的透视图；
图2图示根据本公开的DFIG风力涡轮系统的实施例的示意图；
图3图示根据本公开的风力涡轮的三电平电压源功率转换器的实施例的示意图；
图4图示根据本公开的功率转换器的单相主电路的实施例的示意图；
图5图示根据本公开的用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的方法的实施例的流程图；
图6图示根据本公开的IGBT及其相关联的栅极-发射极电压VGE的实施例的示意图；
图7图示根据本公开的功率转换器的单相主电路的栅极驱动和控制电路系统的实施例的示意图；
图8图示图7的功率转换器的单相主电路的栅极驱动和控制电路系统的多个栅极电压比较器的实施例的示意图；以及
图9图示根据本公开的由控制器实现的保护逻辑的实施例的示意图，所述控制器用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的实施例，在附图中图示其一个或多个示例。通过解释本公开而不是限制本公开的方式来提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以在本公开中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，旨在本公开覆盖如落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这样的修改和变化。
当IGBT开关在三电平有源中性点(ANPC)转换器中失效并且未被检测到时，三电平有源中性点(ANPC)转换器遭受级联失效模式。这可以包括在具有失效装置的单相支路之外对整个桥的损坏，导致非常昂贵的修理。为了限制损坏，失效IGBT必须被非常快速地检测，并且功率转换器必须响应安全地关闭以便限制对单相支路的损坏。这种检测必须非常快地进行(以微秒测量)以限制失效传播。因此，本公开使用多个比较器来比较IGBT栅极的实际状态与其命令状态。电平比较器方式允许反馈极快。使用多个比较器允许确定IGBT是处于接通状态、关断状态还是短路或有故障状态。
现在参考附图，图1图示根据本公开的风力涡轮10的实施例的透视图。如所示，风力涡轮10通常包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及耦合到机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20和耦合到毂20并从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在所图示实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可以围绕毂20间隔开以促进使转子18旋转，从而使得动能能够从风转到可用的机械能，并且随后转到电能。例如，如下面将描述，转子18可以可旋转地耦合到发电机120(图2)以产生电能。诸如风速和/或风向之类的一个或多个风状况也可以经由位于机舱16上或风力涡轮10附近的任何其它合适位置的诸如风速计之类的风传感器24来监测。
现在参考图2，根据本公开的方面图示风力涡轮功率系统100(“风力涡轮机系统”)的实施例的示意图。尽管本文通常将参考图2中所示的系统100描述本公开，但是本领域普通技术人员使用本文提供的公开应当理解，本公开的方面也可应用于其它功率生成系统，并且如上所述，本公开不限于风力涡轮系统。
在图2的实施例中，风力涡轮10(图1)的转子18可以可选地耦合到齿轮箱118，所述齿轮箱118又耦合到发电机120，所述发电机120可以是双馈感应发电机(DFIG)。如所示，DFIG 120可以连接到定子母线154。此外，如所示，功率转换器162可以经由转子母线156连接到DFIG 120，并且经由线路侧母线188连接到定子母线154。因此，定子母线154可以从DFIG 120的定子提供输出多相功率(例如，三相功率)，而转子母线156可以从DFIG 120的转子提供输出多相功率(例如，三相功率)。功率转换器162还可以包括转子侧转换器(RSC)166和线路侧转换器(LSC)168。DFIG 120经由转子母线156耦合到RSC 166。另外，RSC 166经由DC链路136耦合到LSC 168，跨DC链路136的是至少一个DC链路电容器138，140。如图3所示，DC链路136包括上电容器138和下电容器140。LSC 168又耦合到线路侧母线188。
RSC 166和LSC 168可以配置用于使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关元件的三相脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式，如将关于图3更详细地讨论的。
另外，功率转换器162可以耦合到转换器控制器174，以便控制RSC 166和/或LSC168的操作，如本文所述。应当注意，转换器控制器174可以配置为功率转换器162和本地风力涡轮控制系统176之间的接口，并且可以包括任意数量的控制装置。在实施例中，控制器174可以包括执行存储在计算机可读介质中的计算机可读指令的处理装置(例如，微处理器，微控制器等)。当由处理装置执行时，指令可以使处理装置执行操作，包括向功率转换器162的开关元件提供控制命令(例如，开关频率命令)。对于个体DFIG风力涡轮功率系统100，无功功率可以主要由RSC 166经由发电机120和LSC 168提供。
在典型配置中，还可以包括各种线路接触器和电路断路器(包括例如电网断路器182)以用于在连接到负载(例如电力网184)和从负载断开期间隔离如对于DFIG 120的正常操作所必需的各种组件。例如，系统电路断路器178可以将系统母线160耦合到变压器180，所述变压器180可以经由电网断路器182耦合到电力网184。在备选实施例中，熔丝可以代替电路断路器中的一些或全部电路断路器。
在操作中，通过旋转转子18在DFIG 120处生成的交流功率经由由定子母线154和转子母线156限定的双路径提供给电力网184。在转子母线侧156上，正弦多相(例如，三相)交流(AC)功率被提供给功率转换器162。RSC 166将从转子母线156提供的AC功率转换为直流(DC)功率，并将DC功率提供给DC链路136。如通常理解的，在RSC 166的桥式电路中使用的开关元件(例如IGBT)可以被调制以将从转子母线156提供的AC功率转换为适合于DC链路136的DC功率。
另外，LSC168将DC链路136上的DC功率转换为适合于电力网184的AC输出功率。特别地，可以对用于LSC 168的桥式电路中的开关元件(例如IGBT)进行调制，以将DC链路136上的DC功率转换为线路侧母线188上的AC功率。来自功率转换器162的AC功率可以与来自DFIG 120的定子的功率组合以提供具有基本上维持在电力网184的频率(例如，50Hz或60Hz)的频率的多相功率(例如，三相功率)。
另外，例如，当电流流动过度并且可能损坏风力涡轮功率系统100的组件时或出于其它操作考虑，各种电路断路器和开关(例如电网断路器182、系统断路器178、定子同步开关158、转换器断路器186和线路接触器172)可以包括在风力涡轮功率系统100中以连接或断开对应母线。附加保护组件也可以包括在风力涡轮功率系统100中。
此外，功率转换器162可以经由转换器控制器174从例如本地控制系统176接收控制信号。控制信号尤其可以基于风力涡轮功率系统100的感测状态或操作特性。通常，控制信号通过控制功率转换器162的操作。例如，采取DFIG 120的感测速度形式的反馈可用于控制来自转子母线156的输出功率的转换，以维持适当且平衡的多相(例如，三相)功率供应。来自其它传感器的其它反馈也可以由控制器174或控制系统176用来控制功率转换器162，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可以生成开关控制信号(例如IGBT的栅极定时命令)、定子同步控制信号和电路断路器信号。
功率转换器162还补偿或调节来自转子的三相功率的频率，以用于例如毂20和叶片22处的风速的变化。因此，机械和电转子频率被去耦，并且电定子和转子频率匹配基本上独立于机械转子速度而促进。
在一些状态下，功率转换器162的双向特性并且具体地是LSC 168和RSC 166的双向特性促进将所生成的电功率中的至少一些反馈回到发电机转子中。更具体地，电功率可以从定子母线154传输到线路侧母线188，并且随后通过线路接触器172并进入功率转换器162，具体地作为整流器并将正弦三相AC功率整流为DC功率的LSC 168。DC功率被传送到DC链路136中。电容器138促进通过促进减轻有时与三相AC整流相关联的DC纹波来减轻DC链路电压幅度变化。
随后将DC功率传送到RSC 166，所述RSC 166通过调节电压、电流和频率将DC电功率转换为三相正弦AC电功率。经由转换器控制器174监测和控制该转换。经转换的AC功率从RSC 166经由转子母线156传送到发电机转子。以此方式，通过控制转子电流和电压来促进发电机无功功率控制。
现在参考图3，为了讨论和理解本公开的操作原理，图示图2中所示的三电平中性点箝位(NPC)电压源功率转换器(即，其中输出电压具有三个可能值的转换器)的实施例的详细示意图。应当理解，本公开还可应用于任何其它合适的多电平功率转换器，例如有源中性点箝位(ANPC)电压源功率转换器，以及本领域中现在已知或以后开发的任何其它多电平功率转换器。
如所示，RSC 166包括多个桥式电路和至少一个箝位二极管155，其中输入到RSC166的转子母线156的每相耦合到单个桥式电路。另外，LSC 168还可以包括多个桥式电路和至少一个箝位二极管155。类似于RSC 166，LSC 168还包括用于LSC168的每个输出相位的单个桥式电路。在其它实施例中，LSC 168、RSC 166或LSC 168和RSC 166两者可包括并联桥式电路，而不偏离本公开的范围。
此外，如所示，每个桥式电路通常可以包括彼此串行耦合的多个开关元件(例如，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT))。例如，如图3所示，每个桥式电路的多个开关装置可以布置在中性点箝位(NPC)拓扑中。如本文所述，NPC拓扑通常是指包含两个串联连接的高侧开关和两个串联连接的低侧开关的拓扑。通常，具有反并行二极管的IGBT被用作用于NPC转换器的开关，但是也可以采用其它双象限开关配置。特别地，如图3所示，RSC 166可以包括多个第一IGBT 212，而LSC 168可以包括多个第二IGBT 214。另外，如所示，二极管216可以与IGBT 212，214中的每个并行耦合。如通常理解的，LSC 168和RSC 166可以例如通过使用合适的驱动器电路向IGBT的栅极提供控制命令来控制。例如，转换器控制器174可以向桥式电路的IGBT的栅极提供适当的栅极定时命令。控制命令可以控制IGBT的栅极定时命令以提供期望的输出。本领域的普通技术人员应当领会，作为IGBT的替代，功率转换器162可以包括任何其它合适的开关元件。
三电平中性点箝位(NPC)转换器与两电平转换器相比由于串联连接布置而必须承受更小的电压应力。然而，由于大的换向回路，功率转换器的内部开关装置经历更高的电压尖峰，并且需要在适当的位置具有缓冲器。为了避免缓冲器，与NPC相比，具有有源箝位开关的有源中性点箝位(ANPC)转换器提供更短的换向回路。此外，应用于ANPC的双死区时间PWM技术在内部开关装置上提供更小的电压应力。与ANPC转换器一致，快速检测装置失效并立即分配失效响应模式以保护DC链路并避免其它装置上的连锁反应失效，以及提供功率转换器的连续“容错”操作是重要的。
现在参考图4，根据本发明主题的方面图示ANPC功率转换器的开关分支的单相主电路210的示意图。开关分支可以是图3中的RSC 166或LSC 168的一部分。此外，如所述，主电路210具有有源中性点箝位(ANPC)拓扑，其通常是指具有六个二极管(例如，D1至D6)和六个可控半导体开关(例如，S1至S6)的拓扑。如同图4的功率转换器，具有一个或多个开关分支的功率转换器可以作为整流器或逆变器操作。另外，应当理解，转子母线156或定子母线188的每相可以耦合到具有与主电路210相同拓扑的电路。
仍然参考图4，多个开关装置S1-S6(例如IGBT)与二极管D1-D6耦合在一起，所述二极管D1-D6与每个IGBT开关并行耦合。如所示，功率转换器的每个支路包括两个外部开关装置S1、S4和四个内部开关装置S2、S3、S5和S6。例如，通过使用适当的驱动器电路向IGBT S1-S6的栅极提供控制命令(“栅极驱动信号”)来控制LSC 168和RSC 166。例如，在实施例中，控制器174可以向IGBT的栅极提供适当的栅极定时命令，以控制IGBT的脉宽调制，以便产生期望的输出。在实施例中，主电路210可以由控制器174根据基本上非交错的开关模式来控制，使得主电路210的开关元件彼此同相地开关。在其它实施例中，可以根据任何其它合适的开关模式来控制主电路210。本领域普通技术人员将领会，可以使用其它合适的开关元件来代替IGBT。
输入电压V1(例如，正电压)和V2(例如，负电压)被控制为各自具有等于Vdc/2的电压，其中Vdc是总DC链路电压。电压V3是相对于DC链路的中心点测量的相A输出电压。中点电压VMID(在图4中称为VP)和V3之间的电势差是控制器的极电压。开关装置S1与开关装置S3互补，使得当开关装置S1被选通时，开关装置S3被关断，并且反之亦然。类似地，开关装置S2和S4是互补的。
在操作中，ANPC三电平转换器的每个支路具有三个开关阶段。在第一开关阶段中，开关装置S1、S2接通，S5和S6关断，并且S3和S4关断。假设稳定操作，V1＝V2＝Vdc/2，并且V3变为Vdc/2。在第二开关阶段中，开关装置S2、S3接通，S1和S4断开，并且S5和D6接通。在该阶段，V3等于零。在第三开关阶段中，开关装置S1、S2关断，S5和S6关断，并且S3和S4接通。这导致V3变为－Vdc/2。因此，可以看出相电压V3具有三个电平Vdc/2、－Vdc/2和0。当ANPC三相转换器的所有三个支路被组合时，则得到的线间电压具有五个电平，即Vdc、Vdc/2、0、－Vdc/2和-Vdc。根据电路拓扑和电路中开关器件和二极管的数量，图3的三电平功率转换器可以增加到任何电平。随着功率转换器中的电平数目增加，转换器的输出波形接近纯正弦波，导致输出电压中的更低谐波。通常，开关阶段的数目可以大于3，因为如果相应的续流二极管将传导电流，则开关装置可以不被选通。该操作模式不影响输出相电压的电平数。
在三电平ANPC转换器中，当内部开关装置(例如，S2、S3、S5、S6)发生短路故障时，存在关键失效模式。在这种情况下，DC链路的一半(图4中的V1或V2)被充电到机器或电网侧电压的峰线间电压。当S1失效时，内部开关装置S2易受全DC链路电压的影响。这些值通常高于开关装置和电容器的最大允许阻断电压。在这种情况下，其它开关器件或箝位二极管可能在电压或电流方面超过它们的能力而受压力。因此，这将导致附加的开关装置，特别是连接到相同DC母线的相支路中的开关装置在初始开关装置失效之后失效。
适当的逻辑电路检测开关装置中的失效并防止对多电平功率转换器的二次损坏。例如，在2021年11月24日提交的美国专利申请序列号17/534507中描述了合适的失效检测方法的示例。因此，本公开涉及用于检测开关装置中的失效并防止对多电平功率转换器的二次损坏的计算机实现的方法300和系统400。
特别地，特别参照图5，如(302)处所示，方法300包括经由控制器来接收用于多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态。例如，在实施例中，命令状态指的是多个开关装置中的一个或多个开关装置的接通状态或关断状态。
此外，如(304)处所示，方法300包括经由控制器来接收多个开关装置中的一个或多个开关装置的栅极-发射极电压。例如，在实施例中，如图6所示，方法300可以包括经由至少一个电压传感器350来测量多个开关装置中的一个或多个开关装置的栅极-发射极电压VGE。因此，如图6所示，图示测量示例IGBT的栅极-发射极电压VGE的电压传感器350的示例位置。更具体地，如所示，IGBT是具有集电极、发射极和栅极的三端子跨导开关装置。此外，如所示，集电极和发射极与通过电流的传导路径相关联，而栅极端子控制装置。因此，IGBT可以通过激活和去激活栅极端子而接通或关断。特别地，跨栅极和发射极施加正输入电压信号将使装置保持在其导通状态，而使输入栅极信号为零或略微为负将使其关断。因此，栅极-发射极电压VGE仅指从栅极到发射极的电压，而集电极-发射极电压VCE仅指从集电极到发射极的电压。
返回参考图5，如(306)处所示，方法300包括经由控制器的至少一个比较器来将多个开关装置中的一个或多个开关装置的栅极-发射极电压VGE与对应于来自多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态的参考电压范围进行比较。在某些实施例中，方法300还可以包括在从多个开关装置中的一个或多个开关装置接收到命令状态之后并且在将栅极-发射极电压与参考电压范围进行比较之前实现时间延迟，因为栅极-发射极电压改变到命令电压将花费一些时间。此外，在实施例中，将多个开关装置中的一个或多个开关装置的栅极-发射极电压VGE与对应于多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态的参考电压范围进行比较可以包括至少经由第一和第二比较器来将多个开关装置中的一个或多个开关装置的栅极-发射极电压VGE与对应于接通状态的接通参考电压范围或对应于关断状态的关断参考电压范围中的每个进行比较。
特别地，参考图7和图8可以更好地理解本公开。更具体地，如图7所示，图示根据本公开的功率转换器162的单相主电路的栅极驱动和控制电路系统400的实施例的示意图。此外，图8图示图7的功率转换器的单相主电路的栅极驱动和控制电路系统400的多个栅极电压比较器的实施例的示意图。
特别地，如所示，作为示例，栅极驱动和控制电路系统400与现场可编程门阵列(FPGA)402通信，所述现场可编程门阵列(FPGA)402可以是转换器控制器174的一部分。此外，如所示，栅极驱动和控制电路系统400可以包括与功率转换器162的每个IGBT通信的各种栅极电压比较器404。例如，如图8所示，开关装置中的每个开关装置可以包括与其通信的三个比较器。特别地，比较器可以包括接通比较器406、故障比较器408和关断比较器410。因此，如所示，比较器406、408、410中的每个接收栅极-发射极电压VGE，并将栅极-发射极电压VGE与对应于多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态的参考电压范围进行比较。更具体地，接通比较器406接收栅极-发射极电压VGE，并将栅极-发射极电压VGE与对应于接通状态的接通参考电压范围进行比较。类似地，关断比较器410接收栅极-发射极电压VGE，并将栅极-发射极电压VGE与对应于关断状态的关断参考电压范围进行比较。此外，关断比较器408接收栅极-发射极电压VGE，并将栅极-发射极电压VGE与对应于故障状态(即，IGBT短路或有故障)的故障参考电压范围进行比较。
在某些实施例中，例如，接通参考电压范围可以包括在大约+10伏(V)和大约+20V之间的电压范围。在另一个实施例中，关断参考电压范围可以包括大约－5V到大约－20V之间的电压范围。此外，在实施例中，故障参考电压范围可以包括在大约－3V到大约+3V之间的电压范围。
返回参考图5，如(308)处所示，方法300包括经由控制器基于比较来确定(一个或多个)开关装置的实际状态。例如，在实施例中，如图9所示，图示保护逻辑500的实施例的示意图，该保护逻辑500可以由诸如转换器控制器174之类的控制器来实现，以用于操作多电平桥式功率转换器162以检测根据本公开的开关装置失效。特别地，转换器控制器174的FPGA402配置成接收(一个或多个)开关装置的命令状态，即，栅极IGBT接通502或栅极IGBT关断504。然后，如506和508处所示，保护逻辑500配置成基于栅极-发射极电压VGE与相应参考电压范围的比较来确定(一个或多个)开关装置的实际状态。
特别地，如果(一个或多个)开关装置的命令状态是接通状态，则方法300可以包括确定第一比较器(例如接通比较器406)的输出是否在接通参考电压范围内。如果是的话，则确定(一个或多个)开关装置的实际状态为接通状态。此外，如果(一个或多个)开关装置的命令状态是关断状态，则方法300可以包括确定第二比较器(例如，关断比较器410)的输出是否在关断参考电压范围内。如果是的话，则将(一个或多个)开关装置的实际状态确定为关断状态。此外，如果(一个或多个)开关装置的命令状态是接通状态或关断状态，则方法300可以包括确定第三比较器(例如，故障比较器408)的输出是否在故障参考电压范围内。如果是的话，则(一个或多个)开关装置的实际状态被确定为故障状态。
返回参考图5，如(310)处所示，方法300还包括经由控制器基于多个开关装置的实际状态来实现控制动作。例如，在实施例中，如图9的510处所示，可以在短路的IGBT的情况下实现用来保护功率转换器162的逻辑。更具体地，在实施例中，控制动作可以包括关闭电功率系统的多电平桥式功率转换器162，以限制对多电平桥式功率转换器162的单相支路的损坏。
本公开的另外方面由以下条款的主题提供：
1.一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的控制器实现的方法，所述多电平功率转换器具有耦合到DC链路的第一转换器，所述多电平功率转换器具有多个开关装置，所述方法包括：
经由控制器来接收用于所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态；
经由所述控制器来接收所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的栅极-发射极电压；
经由所述控制器的至少一个比较器来将所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于来自所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态的参考电压范围进行比较；
经由所述控制器基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的实际状态；以及
经由所述控制器基于所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态来实现控制动作。
2.如条款1所述的方法，其中，所述命令状态是接通状态或关断状态中的一个状态。
3.如条款2所述的方法，其中，将所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态的所述参考电压范围进行比较还包括：
至少经由第一和第二比较器来将所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于所述接通状态的接通参考电压范围或对应于所述关断状态的关断参考电压范围中的每个进行比较。
4.如条款3所述的方法，其中，基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态还包括：
如果所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态是所述接通状态，则确定所述第一比较器的输出是否在所述接通参考电压范围内，并且如果是的话，则确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态是所述接通状态。
5.如条款3或4所述的方法，其中，基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态还包括：
如果所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态是所述关断状态，则确定所述第二比较器的输出是否在所述关断参考电压范围内，并且如果是的话，则确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态是所述关断状态。
6.如条款3-5所述的方法，其中，基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态还包括：
如果所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态是所述接通状态或所述关断状态中的一个状态，则确定第三比较器的输出是否在故障参考电压范围内，并且如果是的话，则确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态是故障状态。
7.如条款3-6所述的方法，其中，所述接通参考电压范围包括范围在约+10伏(V)与约+20V之间的电压。
8.如条款3-7所述的方法，其中，所述关断参考电压范围包括范围在约－5V到约－20V之间的电压。
9.如条款3-8所述的方法，其中，故障参考电压范围包括范围在约－3V到约+3V之间的电压。
10.如前述条款中的任一项所述的方法，还包括在从所述多个开关装置中的一个或多个开关装置接收到所述命令状态之后并且在将所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于来自所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态的参考电压范围进行比较之前，实现时间延迟。
11.如前述条款中的任一项所述的方法，其中，基于所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态来实现所述控制动作还包括：
关闭所述电功率系统的所述多电平桥式功率转换器，以便限制对所述多电平桥式功率转换器的单相支路的损坏。
12.如前述条款中的任一项所述的方法，还包括经由至少一个电压传感器来测量所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压。
13.如前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述多个开关装置是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
14.如前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述电功率系统是风力涡轮功率系统。
15.一种具有多个相支路的多电平桥式功率转换器，包括：
第一转换器和第二转换器，所述第一转换器和所述第二转换器经由DC链路耦合在一起，所述第一转换器和所述第二转换器中的每个包括多个开关装置；以及
控制器，所述控制器配置成操作所述第一转换器和所述第二转换器，所述控制器包括至少一个处理器，所述至少一个处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
接收用于所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态；
接收所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的栅极-发射极电压；
经由所述控制器的至少一个比较器来将所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于来自所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态的参考电压范围进行比较；
基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的实际状态；以及
基于所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态来实现控制动作。
16.如条款15所述的多电平桥式功率转换器，其中，所述命令状态是接通状态或关断状态中的一个状态，并且其中将所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态的所述参考电压范围进行比较还包括：
至少经由第一比较器和第二比较器来将所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于所述接通状态的接通参考电压范围或对应于所述关断状态的关断参考电压范围中的每个进行比较。
17.如条款16的多电平桥式功率转换器，其中，基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态还包括：
如果所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态是所述接通状态，则确定所述第一比较器的输出是否在所述接通参考电压范围内，并且如果是的话，则确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态是所述接通状态。
18.如条款17所述的多电平桥式功率转换器，其中，基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态还包括：
如果所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态是所述关断状态，则确定所述第二比较器的输出是否在所述关断参考电压范围内，并且如果是的话，则确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态是所述关断状态。
19.如条款17或18所述的多电平桥式功率转换器，其中，基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态还包括：
如果所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态是所述接通状态或所述关断状态中的一个状态，则确定第三比较器的输出是否在故障参考电压范围内，并且如果是的话，则确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态是故障状态。
20.如条款15-19所述的多电平桥式功率转换器，其中，基于所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态实现所述控制动作还包括：
关闭所述电功率系统的所述多电平桥式功率转换器，以便限制对所述多电平桥式功率转换器的单相支路的损坏。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本公开，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本公开，包含制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本公开的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于操作连接到功率电网的电功率系统的多电平桥式功率转换器的控制器实现的方法，所述多电平功率转换器具有耦合到DC链路的第一转换器，所述多电平功率转换器具有多个开关装置，所述方法包括：
经由控制器来接收用于所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的命令状态；
经由所述控制器来接收所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的栅极-发射极电压；
经由所述控制器的至少一个比较器来将所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于来自所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态的参考电压范围进行比较；
经由所述控制器基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的实际状态；以及
经由所述控制器基于所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态来实现控制动作。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述命令状态是接通状态或关断状态中的一个状态。
3.如权利要求2所述的方法，其中，将所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态的所述参考电压范围进行比较还包括：
至少经由第一和第二比较器来将所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于所述接通状态的接通参考电压范围或对应于所述关断状态的关断参考电压范围中的每个进行比较。
4.如权利要求3所述的方法，其中，基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态还包括：
如果所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态是所述接通状态，则确定所述第一比较器的输出是否在所述接通参考电压范围内，并且如果是的话，则确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态是所述接通状态。
5.如权利要求3所述的方法，其中，基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态还包括：
如果所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态是所述关断状态，则确定所述第二比较器的输出是否在所述关断参考电压范围内，并且如果是的话，则确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态是所述关断状态。
6.如权利要求3所述的方法，其中，基于所述比较来确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态还包括：
如果所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态是所述接通状态或所述关断状态中的一个状态，则确定第三比较器的输出是否在故障参考电压范围内，并且如果是的话，则确定所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述实际状态是故障状态。
7.如权利要求3所述的方法，其中，所述接通参考电压范围包括范围在约+10伏(V)与约+20V之间的电压。
8.如权利要求3所述的方法，其中，所述关断参考电压范围包括范围在约－5V到约－20V之间的电压。
9.如权利要求3所述的方法，其中，故障参考电压范围包括范围在约－3V到约+3V之间的电压。
10.如权利要求1所述的方法，还包括在从所述多个开关装置中的一个或多个开关装置接收到所述命令状态之后并且在将所述多个开关装置中的一个或多个开关装置的所述栅极-发射极电压与对应于来自所述多个开关装置中的所述一个或多个开关装置的所述命令状态的参考电压范围进行比较之前，实现时间延迟。
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