[发明专利]三电平变换器功率管的短路保护系统及安全关断控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子功率变换器中开关器件的短路保护技术领域，尤其涉及一种三电平变换器功率管的短路保护系统及安全关断控制方法。

背景技术

三电平功率变换电路(包括三电平逆变器和三电平整流器，以及其他三电平开关变换器)的输出电压含有三个电平，每个开关管承受的电压只是相应两电平变换器开关管的一半，能有效减少谐波含量，提高输出波形质量，降低电流脉动或转矩脉动，三电平功率变换电路在新能源发电、轨道交通牵引、高压大功率变频器中有着广泛的应用。

三电平功率变换电路中每一开关管必须遵循一定的顺序安排开关动作。以二极管中点箝位型三电平三相逆变器为例(参见图1，101为外管区域功率管，102为内管区域功率管)，共有三个桥臂，每个桥臂有4个开关管。直流母线通过两组电容把电压分为正、零和负三个等级，每相桥臂由四个开关管和两个辅助钳位二级管组成。

串接在正负直流母线上的两电容C1、C2中点分压形成一个O状态，对应直流母线电压的1/2。当开关管S_a1，S_a2导通时，桥臂输出为正，称为P状态，对应A相输出电压为V_dc/2。当开关管S_a2，S_a3导通时，桥臂输出为两电容C1、C2中点，称为O状态，对应A相输出电压为0。当开关管S_a3，S_a4导通时，桥臂输出为负，称为N状态，对应A相输出电压为-V_dc/2。因此每相可以输出三种不同的状态。

无论采用何种调制策略，桥臂进行三种状态转换时，无论是由P到N，还是由N到P都要经过O状态的过渡。若不经过O状态，每相的输出得不到三个状态电平，输出电压的dv/dt变大，开关管实际相当于直接串联工作在两电平的状态，不但完全失去了三电平变换电路的性能与优点，而且这种简单串联工作的功率开关管极易因电压失恒而损坏。因此无论采用什么调制策略和控制方式，桥臂输出的电平状态都要遵循P-O-N，或N-O-P的切换原则。在各种三电平功率变换器中，这种状态切换原则是在控制系统的调制策略中预定好的，只要系统正常运行，各桥臂的状态转换就严格遵守这种原则。

一般当功率变换器电路出现过流或短路故障时，传统上控制系统应采取立即同时封锁所有驱动信号的方式来保护功率开关器件。但这时三电平变换电路各桥臂的状态转换无法遵守上述的切换原则，会因故障发生时刻各桥臂的状态不同出现不符合三电平切换原则的状态变化，同时各功率开关管的参数差异也会造成关断不同步，形成附加的切换状态。比如当系统故障发生时刻A相桥臂的输出是P状态，即四个开关管Sa1、Sa2、Sa3和Sa4的状况是1100(1对应导通，0对应关断)，如果此时A相桥臂的输出电流为流向负载并且各管的关断时间参数一致，则在系统发出封锁信号后，桥臂的输出因电流不能突变路径改为从Da3和Da4流向负载，A相桥臂的输出此时变成N状态，由此桥臂出现不期望的由P向N状态的直接切换；如果同一时刻各管的关断时间参数不一致，假设Sa1的td(off)和tf大于Sa2的td(off)和tf，那么A相桥臂的四个开关管Sa1、Sa2、Sa3和Sa4从故障发生时的状况1100，到系统发出封锁信号后会有一个Sa1、Sa2关断时间不同步引起的短暂1000状况，造成Sa2管瞬时单独承担母线电压(Da3和Da4因续流将Sa2的E极箝位到N，而因Sa1此时尚未关断，所以Sa2的C极直接拉在P)击穿损坏。前者情况的出现加大了功率开关管关断时的dv/dt，有可能与主电路结构上的分布电感引起的电压尖峰叠加一起超过某个管子耐压值而损坏，后者情况的出现则开关管Sa2必坏无疑。当系统故障发生时刻A相桥臂的输出是N状态时的情况与上述一样，只是四个开关管Sa1、Sa2、Sa3和Sa4的状况开始是0011，桥臂同样会出现不期望的由N向P状态的直接切换。

因此当三电平变换器电路过流或短路故障发生时，控制系统采取同时封锁所有驱动信号的方式不但不能有效保护出现过流或短路的功率开关器件，还会在封锁所有驱动信号的过程中造成其它功率开关器件的损坏。

发明内容

针对现有技术中三电平变换器电路中功率管的过流、短路过程中保护技术的不足，本发明提供一种三电平变换器功率管的短路保护系统及安全关断控制方法，该保护系统及安全关断的控制方法能够在三电平变换器出现过流或短路故障时，能够及时有序的关闭各功率管，从而对功率管起到保护作用。

实现本发明的技术方案如下：