用於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路的製作方法

2023-11-05 12:39:17

專利名稱：用於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路。
背景技術：
電流輸出型逆變器與一般電壓源型逆變器的主要區別是直流側工作電壓特別高， 逆變橋輸出經電感接交流電壓源。典型的電流輸出型逆變器包括有源電力濾波器、靜止無 功發生器和光伏逆變器等，為保證輸出電流的良好跟蹤特性，其工作電壓至少為兩倍的交 流相電壓峰值(趙國鵬，劉進軍.靜止無功發生器直流側電壓對無功補償特性的影響研究 [J].西安交通大學學報，2010，44 (4) :66-70.)。在無保護電路時，逆變橋上下橋臂換流時， 由於二極體存在反向恢復時間，橋臂在一定時間內會處於上下直通狀態。若此時直流側電 壓較高，則將產生很大的瞬時直通電流，進而產生極大的電流變化率和電壓變化率，容易導 致開關器件的誤觸發或燒毀。雖然有些在工業中應用的電壓輸出型逆變器也存在橋臂直通 問題，但由於直流側電壓較低，產生的直通衝擊電流較小，危害性較低而不被人們重視。文獻(馬俊興，孫漢卿.IGBT短路保護的驅動電路的設計[J].通信技術，2009， 42(11) 235-237.；胡宇，呂徵宇.IGBT驅動保護電路的設計與測試[J].機電工程，2008， 25(7) =58-60, 71.；邱進，陳軒恕，劉飛，等.基於有源電力濾波器的IGBT驅動及保護研究 [J].通信電源技術，2008，25 (5) :4-6.)提出了基於IGBT驅動電路的保護方案，通過檢測 過電流的大小決定是否關閉IGBT驅動電路，但這類方法沒考慮逆變電路正常工作時由續 流二極體、另一橋臂開關管和直流側電壓引起的直通過電流，易造成逆變電路不能正常工 作。有些保護電路還通過在開關管兩側並聯高頻電容以降低開關損耗和過電壓，反而更 增加了二極體反向恢復時的過電流峰值。文獻[Etxeberria-Otadui I，San-Sebastian J, Viscarret U, et al. Analysis of IGCT current clamp designfor single phase H-bridge converters[C]. Power electronics specialistsconference,2008,PESC 2008, IEEE =4343-4348]提出了一種用於集成門極換流晶閘管(IGCT)的保護電路，但並未將其用 於帶有反並聯二極體的IGBT保護中。首先基於工作原理和實驗波形，分析功率器件的動態開關特性，以及由器件開關 特性引起的直通現象而產生電流尖峰的原因。通過分析發現，完全消除電流尖峰是不可能 的，只能採取必要措施以降低電流尖峰的幅值並將其限制在開關器件可以承受的合理範圍 內。1逆變電路產生瞬時電流尖峰的機理分析典型的電流輸出型三相四線逆變器的等效電路如圖1所示，具有典型的半橋拓撲 結構。圖1中，Q1和Q2為IGBT開關管，D1和D2為Q1和Q2反並聯二極體。在圖1中，以由D1和D2以及Q1和Q2組成的橋臂為例，當橋臂的兩個開關管都沒 有驅動信號時，假定此時電流流經D1，則當Q2開通時，電流從D1轉移到Q2,當D1電流降到零 時，電感電流已全部轉移到Q2。由於二極體D1反向恢復時間的存在，此時D1處於反嚮導通 狀態，直流側電壓直接加到D1和Q2上。由於D1和Q2的動態阻抗很低，直流側電壓在D1和Q2上產生很大的直通電流，唯一限制直通電流的是D1和Q2的動態阻抗和線路雜散電感。此 後隨著二極體PN結電荷勢壘區的恢復，二極體恢復反向阻斷狀態，但由於線路雜散電感和 二極體PN結等效電容的作用，電流呈現振蕩下降的趨勢。由於在圖1電路中直流側電壓很高[趙國鵬，劉進軍.靜止無功發生器直流側電 壓對無功補償特性的影響研究[J].西安交通大學學報，2010，44(4) :66-70.]，當此種直通 現象發生時衝擊電流會達到一個很大的值，從而產生很大的di/dt和du/dt，極易造成開關 器件的誤動作而導致器件損壞。圖2a、圖2b為無保護電路時的橋臂電流電壓波形圖2a中，在電流尖峰時刻前，電流流經二極體D2。圖2b中，、時刻Q2保持關閉， Q1打開，由於IGBT開通時間極短，電流很快由D2轉移到Q1，此時D2由於反向恢復時間的關 系仍然保持為開通狀態，直流側電壓經雜散電感回到開通的D2和Q2上，形成很大的直流環 路直通尖峰電流。t2時刻，二極體正嚮導通所需的結電荷在尖峰電流的作用下消耗完畢，勢 壘區開始恢復，電流開始下降。由於結電容和雜散電感的關係，電流振蕩減小，直到二極體 完全恢復阻斷狀態為止。

發明內容
本發明的目的就是為解決逆變橋橋臂電路產生衝擊尖峰電流的危害，提供一種用 於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，它可有效地降低功率器件開關過程中的衝擊 尖峰電流、di/dt和du/dt，可防止開關器件出現誤觸發以有效保護功率器件。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種用於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，在每一相上均設有結構相同 的IGBT橋臂保護電路，該電路包括一對IGBT開關管Ql、Q2，每個IGBT開關管Ql、Q2反並 聯一個二極體Dl、D2 ；在該橋臂輸入端與電感Ll連接；同時該橋臂輸出端分別與串聯的二 極管D3、電容C以及串聯的電感L、電容Cl、電容C2並聯；二極體D3的陽極經電阻R與電 容Cl 一端連接。所述電感L取值遠小於電感Ll取值。所述電容C取值遠小於電容Cl、電容C2取值。所述電阻R取值應保證電容Cl、電容C2兩端電壓U與電阻R確定的流經電阻R的 電流值小於IGBT 二極體的最大允許方向恢復電流。本發明的有益效果是結構簡單，可有效地降低功率器件開關過程中的衝擊尖峰 電流、di/dt和du/dt，可防止器件出現誤觸發，能有效保護功率器件。大量的實驗結果證明 了該橋臂保護電路的有效性和工作可靠性。


圖1為現有逆變單元等效電路圖；圖2a為無保護電路時的電流尖峰圖；圖2b為無保護電路時的電流尖峰圖；圖3為本發明中與一相連接的IGBT保護電路示意圖；圖4a為本發明的保護試驗波形；
圖4b為本發明的保護試驗波形。
具體實施例方式下結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。在圖1所示的三相四線開關電路中，每一相都可以單獨控制其開關過程和輸出電 流，本發明提出的IGBT橋臂保護電路拓撲如圖3所示。在原IGBT橋臂上並聯了 LCRD (電感、電容、電阻和二極體組成的)橋臂保護電路， 在取值上電感L遠小於電感L1,電容C遠小於電容C1和C2,電阻R的取值則需使得U/R小 於IGBT 二極體的最大允許反向恢復電流。若原電流為Q2開通時電流流經Q2,D3保持關斷狀態，Q2上的電壓為零。當Q2關斷 時，電流轉移到D1上，並經D3對電容C進行充電。此時由於沒有二極體處於反向恢復狀態， 因此在電路中不會出現明顯的橋臂直通現象，沒有大的衝擊電流出現，此種運行狀態對電 路影響不大，可以忽略其造成的影響。若原電流為Q2開通時電流流經D2, D3保持關斷狀態，Q2上的電壓為零。當Q2關斷 時，電流繼續流經D2, Q2上的電壓仍為零。當Q1開通時，電流由D2轉移到Q1,此時橋臂處於 短路狀態，電壓U直接加到電感L上，設電感L上的電壓為i，則有di = —dt(1)
L此時在電感L的限流作用下，IGBT電流緩慢上升,Q1上的電壓為零,Q1實現零電壓 開通。此後A點電壓逐漸上升，直到D2經過反向恢復過程後完全恢復阻斷能力。 實驗波形如圖4a中「 2. 2 」所標示部分。若原電流為Q1開通時電流流經QnD3保持關斷狀態,Q1上的電壓為零。當Q1關斷 時，電流轉移到D2上。此時由於沒有二極體處於反向恢復狀態，因此在電路中不會出現明 顯的橋臂直通現象，沒有大的開關管衝擊電流出現。但此時D3導通，電感L上的電流經D3、 C, R^C1和C2放電，有L 色二 U-Uc(2)
dt(3) R在此開關狀態下逆變器將有部分功率消耗在電阻R上，影響逆變器效率。若原電流為Q1開通時電流流經DnD3保持關斷狀態,Q1上的電壓為零。當Q1關斷 時，電流仍然流經Dp噹噹Q2開通時，電流由D1轉移到Q2,當D1電流為零時，電路進入橋臂 直通狀態，但由於電感L的限流作用，會出現和「2. 2」同樣的情況。若原電流為Q2開通時電流流經D2,且此時電感L經D3保持有一定電流，則噹噹Q2 關斷時，電流繼續流經D2, Q2上的電壓仍為零。當Q1開通時，電流由D2轉移到Q1，此時橋臂 處於短路狀態。此時D3上的電流轉移到Q1, D3可以和D2 —同處於反向恢復狀態，電容C上 的電壓直接加到橋臂上，同時經短暫時間後電壓U也通過電阻R加到橋臂上，橋臂上的電流 為電容C上的電壓在橋臂上產生的電流加上電阻R上的電流再加上電感L上的電流，此時 衝擊電流最大，對橋臂也最危險，在選擇元件時要加以優化。衝擊電流如圖4b所示。但由於電容C容量較小，放電時間很短，而L上的電流不能
5突變，因此電流主要由電阻R上的電流組成。由圖中可見，電容C放電時電容電壓下降，放 電至電阻R電流為零時停止放電，由U對其充電，電壓開始上升。當電感L上電壓降為零時 電容C電壓保持穩定。在這個過程中還會由於開關管雜散參數的影響電容電壓會有波動。本發明中逆變橋保護電路的參數選擇1電感的選擇由IGBT參數可知，IGBT允許衝擊電流一般遠大於其反並聯二極體允許衝擊電流。 由公式(1)可知，電感的選擇應使在二極體的反向恢復時間內的電流增加值低於二極體最 大允許衝擊電流(因二極體參數中一般不提供最大允許反向恢復電流，而大電流二極體基 本上都是面二極體，承受電流能力主要取決於PN結面的大小，因此用最大允許衝擊電流代 替最大允許反向恢復電流)。設二極體反向恢復時間為At，最大允許衝擊電流為Im，則有
權利要求
一種用於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，其特徵是，在每一相上均設有結構相同的IGBT橋臂保護電路，該電路包括一對IGBT開關管Q1、Q2，每個IGBT開關管Q1、Q2反並聯一個二極體D1、D2；在該橋臂輸入端與電感L1連接；同時該橋臂輸出端分別與串聯的二極體D3、電容C以及串聯的電感L、電容C1、電容C2並聯；二極體D3的陽極經電阻R與電容C1一端連接。
2.如權利要求1所述的用於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，其特徵是，所 述電感L取值遠小於電感Ll取值。
3.如權利要求1所述的用於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，其特徵是，所 述電容C取值遠小於電容Cl、電容C2取值。
4.如權利要求1所述的用於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，其特徵是，所 述電阻R取值應保證電容Cl、電容C2兩端電壓U與電阻R確定的流經電阻R的電流值小於 IGBT 二極體的最大允許方向恢復電流。
全文摘要
本發明涉及一種用於電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，它可有效地降低功率器件開關過程中的衝擊尖峰電流、di/dt和du/dt，可防止開關器件出現誤觸發以有效保護功率器件。在每一相上均設有結構相同的IGBT橋臂保護電路，該電路包括一對IGBT開關管Q1、Q2，每個IGBT開關管Q1、Q2反並聯一個二極體D1、D2；在該橋臂輸入端與電感L1連接；同時該橋臂輸出端分別與串聯的二極體D3、電容C以及串聯的電感L、電容C1、電容C2並聯；二極體D3的陽極經電阻R與電容C1一端連接。
文檔編號H02M1/32GK101976944SQ20101056194
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者慕世友, 李慶民, 段玉兵, 毛慶波, 程豔, 趙鵬, 龔宇雷 申請人:山東電力研究院