專利名稱：用于多電平轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)多電平轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)裝置故障狀況的方法。
背景技術(shù)：
多電平轉(zhuǎn)換器(例如中性點(diǎn)箝位轉(zhuǎn)換器)一般用于諸如變速驅(qū)動(dòng)(VSD)系統(tǒng)之類(lèi)的大功率工業(yè)應(yīng)用或者諸如太陽(yáng)能(或光伏)發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)或海洋和流體動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)之類(lèi)的能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用中。多電平轉(zhuǎn)換器的一般功能是通過(guò)通常從電容器電壓源所得到的若干電壓電平來(lái)合成正弦電壓。三電平轉(zhuǎn)換器包括串聯(lián)的兩個(gè)電容器電壓，其中中心抽頭作為中性點(diǎn)。三電平轉(zhuǎn)換器的各相臂(phase leg)具有串聯(lián)的兩對(duì)開(kāi)關(guān)裝置。開(kāi)關(guān)裝置在電流方面是雙向的，常常實(shí)現(xiàn)為單向電子開(kāi)關(guān)裝置(例如IGBT、IGCT)和二極管 (續(xù)流二極管)的反并聯(lián)。多電平轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)裝置在短路狀況期間或者在箝位電感負(fù)載的斷開(kāi)開(kāi)關(guān)期間受到高電和熱應(yīng)力。例如，如果在開(kāi)關(guān)裝置中因電應(yīng)力或過(guò)電流而存在大功率損耗，則開(kāi)關(guān)裝置過(guò)熱，并且可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)裝置的熱擊穿。類(lèi)似地，當(dāng)切斷電感負(fù)載或電感電流時(shí)，開(kāi)關(guān)裝置可觀測(cè)到引起開(kāi)關(guān)裝置的電壓擊穿的過(guò)電壓。一旦開(kāi)關(guān)裝置因過(guò)熱或過(guò)電壓而被擊穿或破壞，在沒(méi)有保護(hù)措施的情況下，連鎖反應(yīng)可能發(fā)生，從而引起整個(gè)多電平轉(zhuǎn)換器橋的破壞。因此，檢測(cè)多電平轉(zhuǎn)換器中開(kāi)關(guān)裝置中的故障是重要的。用于檢測(cè)IGBT轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)裝置故障的測(cè)量的一個(gè)示例是去飽和電路(desaturation circuit)。但是，使用去飽和電路的方法僅當(dāng)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)裝置接通時(shí)才檢測(cè)故障狀況，而當(dāng)對(duì)于開(kāi)關(guān)裝置的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)斷開(kāi)時(shí)沒(méi)有提供任何信號(hào)。因此，去飽和電路沒(méi)有檢測(cè)所有可能的短路故障狀況。因此，希望提供解決上述問(wèn)題的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種多電平轉(zhuǎn)換器，其中帶有各具有至少兩個(gè)內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置、至少兩個(gè)外開(kāi)關(guān)裝置、至少兩個(gè)箝位二極管和分離的DC鏈路(split DC link) 的多個(gè)相臂。多電平轉(zhuǎn)換器也包括開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路，其中包括用于每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的邏輯模塊，以便通過(guò)比較開(kāi)關(guān)裝置電壓和閾值參考電壓來(lái)生成閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)。開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路還包括電壓計(jì)算模塊，以便基于開(kāi)關(guān)裝置的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電流方向來(lái)確定每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)。開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路還包括故障檢測(cè)算法 (故障檢測(cè)算法模塊，故障檢測(cè)算法單元)，以便基于閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)和開(kāi)關(guān)裝置的預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)來(lái)檢測(cè)任一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置中的故障狀況。按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種多電平轉(zhuǎn)換器，其中帶有各具有至少兩個(gè)內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置、至少兩個(gè)外開(kāi)關(guān)裝置、至少兩個(gè)箝位二極管和分離的DC鏈路的多個(gè)相臂。多電平轉(zhuǎn)換器也包括開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路，其中具有電壓計(jì)算模塊，用以基于開(kāi)關(guān)裝置的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電流方向來(lái)確定相臂的相端子處的預(yù)計(jì)輸出電壓；以及故障檢測(cè)算法，用以通過(guò)將預(yù)計(jì)輸出電壓與實(shí)際輸出電壓進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)任一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置中的故障狀
4況。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種確定多電平轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)裝置中故障狀況的方法，其中多電平轉(zhuǎn)換器包括分離的DC鏈路以及各具有至少兩個(gè)內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置、至少兩個(gè)外開(kāi)關(guān)裝置、至少兩個(gè)箝位二極管的多個(gè)相臂。該方法包括基于開(kāi)關(guān)裝置的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電流方向來(lái)確定每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)，并且通過(guò)比較開(kāi)關(guān)裝置上的端子電壓和閾值參考電壓來(lái)生成閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)。該方法也包括基于閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)和開(kāi)關(guān)裝置的電壓閉塞狀態(tài)來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)裝置中的故障狀況。按照本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，提供一種用于多電平轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路，其中多電平轉(zhuǎn)換器包括分離的DC鏈路以及各具有至少兩個(gè)內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置、至少兩個(gè)外開(kāi)關(guān)裝置和至少兩個(gè)箝位二極管的多個(gè)相臂。開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路包括用于每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的邏輯模塊，以便通過(guò)比較開(kāi)關(guān)裝置電壓和閾值參考電壓來(lái)生成閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)。開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路還包括電壓計(jì)算模塊，用以基于開(kāi)關(guān)裝置的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電流方向來(lái)確定每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)。開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路還包括故障檢測(cè)算法，用以基于閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)和開(kāi)關(guān)裝置的預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)來(lái)檢測(cè)任一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置中的故障狀況。


通過(guò)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述，會(huì)更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，附圖中，相似符號(hào)在附圖中通篇表示相似部件，附圖包括圖1是常規(guī)中性點(diǎn)箝位多電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)臂的電路圖及其輸出波形；圖2是三相三電平NPC轉(zhuǎn)換器的臂中故障狀況的表示；圖3是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路；圖4是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電壓計(jì)算模塊的圖解表示；圖5是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的故障檢測(cè)算法；圖6是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)故障檢測(cè)算法；以及圖7是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路。元件列表10常規(guī)中性點(diǎn)箝位(NPC)三電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)臂的示意圖12常規(guī)NPC三電平轉(zhuǎn)換器的輸出波形14 NPC三電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)臂16，18，20，22 開(kāi)關(guān)裝置24,26 二極管28 DC鏈路的中心點(diǎn)30 DC 鏈路40具有故障的三電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)臂的示意圖42，48外開(kāi)關(guān)裝置44，46內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置49臂的中心點(diǎn)50，52箝位二極管
51 DC鏈路的中心點(diǎn)53 DC 鏈路56 DC鏈路的頂部電容器58 DC鏈路的底部電容器60故障狀況70開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路72，74，76，78邏輯模塊或比較器80電壓計(jì)算模塊82故障檢測(cè)算法81用于確定多電平轉(zhuǎn)換器端子處的預(yù)計(jì)輸出電壓的預(yù)計(jì)電壓計(jì)算模塊83-100預(yù)計(jì)電壓計(jì)算步驟110故障檢測(cè)算法112-130故障檢測(cè)算法步驟150另一個(gè)故障檢測(cè)算法152-166故障檢測(cè)算法步驟180另一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路182故障檢測(cè)算法
具體實(shí)施例方式正如下文中詳細(xì)論述的一樣，本發(fā)明的實(shí)施例使多電平轉(zhuǎn)換器能夠以開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)方案將直流(DC)電力轉(zhuǎn)換為交流(AC)電力。例如，在三電平中性點(diǎn)箝位(NPC)轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)開(kāi)關(guān)裝置(圖1的16、18、20或22)或者箝位二極管(圖1的M或沈)出故障短接時(shí)，存在關(guān)鍵故障模式。在這種狀況下，DC鏈路的一半、即圖1中的Vl或V2被充電到機(jī)器的峰值線間電壓或者網(wǎng)側(cè)電壓。這個(gè)值通常高于開(kāi)關(guān)裝置和電容器的最大容許閉塞電壓。在這種情況下，其它開(kāi)關(guān)裝置或箝位二極管在電壓和電流方面可能受到超出其能力的壓力(be stressed)。因此，這將使附加開(kāi)關(guān)裝置、特別是連接到相同DC母線的相臂中的開(kāi)關(guān)裝置在最初開(kāi)關(guān)裝置的故障之后出故障。本發(fā)明的開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)方案提供適當(dāng)邏輯電路來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)裝置中的故障，并且因此防止可用于諸如太陽(yáng)能(或光伏)發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)或海洋和流體動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)之類(lèi)的應(yīng)用中的多電平轉(zhuǎn)換器的二次損壞。圖1示出常規(guī)中性點(diǎn)箝位(NPC)或二極管箝位三電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)臂或一相的示意圖10及其輸出波形12。三電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)臂14包括四個(gè)開(kāi)關(guān)裝置16、18、20和22以及兩個(gè)箝位二極管M和26。輸入電壓Vl和V2被控制成各具有等于Vdc/2的電壓，其中 Vdc是總DC鏈路電壓。電壓V3是相對(duì)DC鏈路30的中心點(diǎn)28所測(cè)量的相位A輸出電壓。 開(kāi)關(guān)裝置16是對(duì)開(kāi)關(guān)裝置20的補(bǔ)充，使得當(dāng)開(kāi)關(guān)裝置16導(dǎo)通(gated on)時(shí)，開(kāi)關(guān)裝置20 關(guān)斷，反過(guò)來(lái)也是一樣。類(lèi)似地，開(kāi)關(guān)裝置18和22是互補(bǔ)的。在操作中，NPC三電平轉(zhuǎn)換器的各臂具有三個(gè)開(kāi)關(guān)級(jí)。在第一開(kāi)關(guān)級(jí)，開(kāi)關(guān)裝置 16和18接通，而開(kāi)關(guān)裝置20和22斷開(kāi)。假定穩(wěn)定操作，Vl = V2 = Vdc/2,并且V3變成Vdc/2。在第二開(kāi)關(guān)級(jí)，開(kāi)關(guān)裝置18和20接通，而開(kāi)關(guān)裝置16和22斷開(kāi)。在這一級(jí)， V3等于0。在第三開(kāi)關(guān)級(jí)，開(kāi)關(guān)裝置16和18斷開(kāi)，而開(kāi)關(guān)裝置20和22接通。這使V3變成-Vdc/2，如波形12所示。因此能夠看到，相電壓V3具有三個(gè)電平Vdc/2、-Vdc/2和0。 當(dāng)組合NPC三相轉(zhuǎn)換器的全部三個(gè)臂時(shí)，則所產(chǎn)生線間電壓具有五個(gè)電平，即Vdc、Vdc/2、 0、-Vdc/2和-Vdc。圖1的三電平轉(zhuǎn)換器14可根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及電路中的開(kāi)關(guān)裝置和二極管的數(shù)量增加到任何電平。隨著轉(zhuǎn)換器中的電平數(shù)量增加，轉(zhuǎn)換器的輸出波形接近純正弦波，從而引起輸出電壓中的較低諧波。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)級(jí)的數(shù)量能夠高于三個(gè)，因?yàn)槿绻麑?duì)應(yīng)續(xù)流二極管將傳導(dǎo)電流，則開(kāi)關(guān)裝置可以沒(méi)有導(dǎo)通。這種操作模式不影響輸出相電壓的電平數(shù)量。圖2示出多電平轉(zhuǎn)換器的一個(gè)臂40中的故障狀況60。如前面所述，轉(zhuǎn)換器的各臂 40例如包括兩個(gè)外開(kāi)關(guān)裝置和兩個(gè)內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置，分別為42、48和44、46。此外，臂40包括兩個(gè)箝位二極管50和52，并且其輸出電壓Vo在臂40的中心點(diǎn)49與DC鏈路53的中心點(diǎn) 51之間測(cè)量。臂40連接到具有頂部電容器56和底部電容器58的分離的DC鏈路53。圖 2示出出故障短接(由參考標(biāo)號(hào)60表示)的臂40的外開(kāi)關(guān)裝置42。此狀況例如可作為諸如外開(kāi)關(guān)裝置42的熱擊穿、外開(kāi)關(guān)裝置42的電壓擊穿、因宇宙射線引起的故障以及因開(kāi)關(guān)裝置的不牢固制造引起的故障之類(lèi)的發(fā)生事件的結(jié)果而發(fā)生。例如，當(dāng)?shù)撞績(jī)蓚€(gè)開(kāi)關(guān)裝置 46、48導(dǎo)通以便具有Vo = -Vdc/2時(shí)，出現(xiàn)在內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置44上的電壓將為總DC鏈路電壓、 即Vdc，這可能引起開(kāi)關(guān)裝置44的故障。圖3示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路70。該電路包括邏輯模塊或比較器72、74、76和78，它們各對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)裝置42、44、46和48 (圖2)中的相應(yīng)一個(gè)。開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路70還包括電壓計(jì)算模塊80和故障檢測(cè)算法82。各比較器72、 74、76和78比較兩個(gè)輸入i)開(kāi)關(guān)裝置電壓，即，開(kāi)關(guān)裝置上的電壓Vsw;以及ii)閾值參考電壓Vth ；并且提供稱作閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)Vc的輸出電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，閾值參考電壓Vth設(shè)置成略高于開(kāi)關(guān)裝置導(dǎo)電時(shí)其上的額定電壓降。在另一個(gè)實(shí)施例中，這個(gè)信號(hào)通常已經(jīng)是從(例如IGBT轉(zhuǎn)換器中的)去飽和檢測(cè)電路可得到的。在又一個(gè)實(shí)施例中，閾值參考電壓Vth可設(shè)置成前一個(gè)實(shí)施例中的電壓、即略高于開(kāi)關(guān)裝置上的額定電壓降的電壓與Vdc/2的下限之間的任意適當(dāng)電平。在一個(gè)實(shí)施例中，如果Vsw大于Vth，則閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)Vc為‘高’，否則為‘低’。應(yīng)當(dāng)注意，‘高’指的是比較器的正供給電壓，而‘低’指的是比較器的負(fù)供給電壓。因此，比較器72比較Vswl和Vth，并且輸出Vcl，其中Vswl指的是開(kāi)關(guān)裝置42上的電壓，比較器74比較開(kāi)關(guān)裝置44上的電壓Vsw2和Vth，并且輸出Vc2。 類(lèi)似地，比較器76比較作為開(kāi)關(guān)裝置46上的電壓的Vsw3和Vth，并且輸出Vc3，以及比較器78比較開(kāi)關(guān)裝置48上的電壓Vsw4和Vth，并且輸出Vc4。在一個(gè)實(shí)施例中，比較器可以是開(kāi)環(huán)運(yùn)算放大器電路或者集成在芯片中的專用電壓比較器。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供閾值電壓邏輯信號(hào)的、一般用于IGBT驅(qū)動(dòng)器中的去飽和電路的一部分也可用作比較器。基于開(kāi)關(guān)裝置42、44、46和48的柵極信號(hào)和輸出電流方向(即Io方向)，電壓計(jì)算模塊80確定在當(dāng)前開(kāi)關(guān)級(jí)中，各開(kāi)關(guān)裝置是否應(yīng)該閉塞其端子上的電壓。電壓計(jì)算模塊的輸出是開(kāi)關(guān)裝置的預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)Vsl、Vs2、Vs3和Vs4,它們被輸入到開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)算法82中。作為中間步驟在電壓計(jì)算模塊80中計(jì)算正常狀況期間在多電平轉(zhuǎn)換器的臂的輸出端點(diǎn)49和51處的預(yù)計(jì)電壓Vexp。預(yù)計(jì)電壓基于諸如開(kāi)關(guān)裝置42、44、46和48的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1、G2、G3和G4以及對(duì)應(yīng)輸出電流方向、即Io方向之類(lèi)的輸入來(lái)確定。預(yù)計(jì)輸出電壓Vexp具有三個(gè)電平，即正、負(fù)和零?；谶@些電平、柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電流方
7向，進(jìn)行關(guān)于特定開(kāi)關(guān)裝置是否應(yīng)當(dāng)閉塞電壓的確定，并且因而生成邏輯信號(hào)Vsl、Vs2、Vs3 和Vs4。如果邏輯信號(hào)的任一個(gè)為高，則它指示特定開(kāi)關(guān)裝置應(yīng)當(dāng)閉塞電壓，否則不應(yīng)當(dāng)閉塞電壓。開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)算法82然后對(duì)于各開(kāi)關(guān)裝置將關(guān)于裝置實(shí)際上是否閉塞的信息(即，Vcl、Vc2、Vc3和Vc4)與關(guān)于在當(dāng)前開(kāi)關(guān)級(jí)各裝置是否應(yīng)當(dāng)閉塞的信息(即，Vsl、 Vs2、Vs3和Vs4)進(jìn)行比較。如果任何開(kāi)關(guān)裝置的實(shí)際閉塞狀態(tài)和預(yù)計(jì)閉塞狀態(tài)不匹配(例如，如果Vcl興Vsl)，則檢測(cè)到故障。上述開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路70可在模擬域或數(shù)字域或者它們的組合中實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字電路用于處理的情況下，該電路一般將包括模數(shù)轉(zhuǎn)換，但是模擬處理組件一般不要求這種轉(zhuǎn)換，除非某種處理在數(shù)字域中進(jìn)行。數(shù)字電路的示例包括諸如編程微處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、專用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)之類(lèi)的數(shù)字組件。應(yīng)當(dāng)注意，圖3所示的組件所表示的處理的具體順序可以改變，并且其它組件可在需要時(shí)包含在整體電路中。圖4示出用于確定多電平轉(zhuǎn)換器端子處的預(yù)計(jì)輸出電壓的預(yù)計(jì)電壓計(jì)算模塊81 的一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)。模塊81接收諸如分別用于開(kāi)關(guān)裝置42、44、46和48的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)Gl、 G2、G3和G4的輸入以及還接收輸出電流或Io方向。應(yīng)當(dāng)注意，柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平確定任何開(kāi)關(guān)裝置是否接通。例如，如果G2或G3為高，則開(kāi)關(guān)裝置44或46分別接通。因此，對(duì)于下面所提供的所有情況，如果開(kāi)關(guān)裝置接通，則對(duì)應(yīng)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)稱作高。在第一步驟83， 確定內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置44或46的任一個(gè)是否接通以及外開(kāi)關(guān)裝置42和48是否均斷開(kāi)。在這種情況下，箝位二極管50或52的任一個(gè)導(dǎo)電，并且因而預(yù)計(jì)電壓Vexp相當(dāng)于零，如框84所示。這個(gè)狀況在步驟83中由布爾方程(G2 + G3).(G1 + G4) = 1來(lái)表示。但是，如果不滿足這個(gè)狀況，則在步驟86，確定兩個(gè)頂部開(kāi)關(guān)裝置42和44是否均接通，即，是否GJ.G2=!.。如果兩個(gè)頂部開(kāi)關(guān)裝置均接通，則輸出端子處的預(yù)計(jì)電壓Vexp應(yīng)當(dāng)為正電壓，即V+，由框88 表示。如果不滿足在步驟86中檢查的狀況，則步驟90確定兩個(gè)底部開(kāi)關(guān)裝置46和48是否均接通，即，是否G3. G4 = 1.。兩個(gè)底部開(kāi)關(guān)裝置46和48均接通指示預(yù)計(jì)電壓Vexp應(yīng)當(dāng)為負(fù)電壓，即V-，由框92表示。如果不滿足狀況83、86或90的任一個(gè)，則輸出電流(Io) 方向幫助確定預(yù)計(jì)電壓Vexp。在步驟94，確定輸出電流Io是否為負(fù)。如果輸出電流Io為負(fù)，則在步驟96，確定所有開(kāi)關(guān)裝置42、44、46和48是否均斷開(kāi)。這個(gè)狀況在步驟96中由 (G1 + G2 + G3 + G4) = 1來(lái)表示。如果所有開(kāi)關(guān)裝置均斷開(kāi)，并且輸出電流Io為負(fù)，則指示頂部?jī)蓚€(gè)開(kāi)關(guān)裝置的續(xù)流二極管導(dǎo)電。因此，這個(gè)狀況期間的預(yù)計(jì)電壓Vexp將為正電壓V+， 由框88表示。如果在步驟94確定輸出電流Io不為負(fù)，則在步驟98，確定輸出電流Io是否為正。如果輸出電流Io為正，則在步驟100，再次確定所有開(kāi)關(guān)裝置是否均斷開(kāi)。如果所有開(kāi)關(guān)裝置均斷開(kāi)，并且電流方向?yàn)檎?，則指示底部?jī)蓚€(gè)開(kāi)關(guān)裝置的續(xù)流二極管導(dǎo)電，并且這個(gè)狀況期間的預(yù)計(jì)電壓將為負(fù)電壓V-。圖5示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的故障檢測(cè)算法110。算法110確定應(yīng)當(dāng)閉塞 DC電壓的任何開(kāi)關(guān)裝置是否實(shí)際上沒(méi)有閉塞DC電壓。在算法110的步驟112，確定預(yù)計(jì)電壓Vexp是否為正(V+)。如果Vexp不等于V+，S卩，如果Vexp等于負(fù)電壓V-或零電壓，則在步驟114，檢查第一開(kāi)關(guān)裝置42的閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)Vcl是低還是高。如果Vcl為低，則指示開(kāi)關(guān)裝置42在實(shí)際上應(yīng)當(dāng)閉塞電壓時(shí)沒(méi)有閉塞任何電壓。然后提供故障指示或短路指示，如框116所示。在Vexp不等于V+時(shí)檢查的另一個(gè)狀況是Vexp是否為負(fù)電壓，即V-。 如果在步驟118確定Vexp實(shí)際為V-，則在步驟120，檢查開(kāi)關(guān)裝置44的閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)
8Vc2是否為低。如果Vc2為低，則第二開(kāi)關(guān)裝置44被認(rèn)為有故障，如框122所示。如果在步驟IM確定Vexp為正電壓、即V+，則在步驟124，將開(kāi)關(guān)裝置46的閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)Vc3 與低電壓進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)Vc3為低，則表示開(kāi)關(guān)裝置46有故障，如框1 所示。此外， 如果Vexp從步驟118確定為零或者從步驟112確定為正，則在步驟128，檢查開(kāi)關(guān)裝置48 的閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)Vc4是否為低。如果Vc4為低，則它是開(kāi)關(guān)裝置48有故障的指示，如框130所示。因此，通過(guò)采用各種組合的這種方式，確定開(kāi)關(guān)裝置的故障狀況。圖6示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)故障檢測(cè)算法150。算法150是對(duì)算法110的補(bǔ)充，S卩，它確定沒(méi)有預(yù)計(jì)閉塞任何電壓的任何開(kāi)關(guān)裝置實(shí)際上是否閉塞電壓。在算法150的步驟152，確定預(yù)計(jì)電壓Vexp是否為正(即，V+)。如果Vexp為正，則在步驟154 檢查第一開(kāi)關(guān)裝置(圖2的4 的閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)Vcl是低還是高。如果Vcl為高，則指示開(kāi)關(guān)裝置42有故障，如框156所示。此外，如果確定Vexp不為正，S卩，它為負(fù)或零，則在步驟158檢查開(kāi)關(guān)裝置46的閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)Vc3為高還是低，以及如果確定Vc3為高， 則指示開(kāi)關(guān)裝置46有故障，如框160所示。從步驟162檢查Vexp是否為負(fù)、即V-，以及如果是的話，則從步驟164確定開(kāi)關(guān)裝置48的閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)Vc4是高還是低。如果Vc4 為高，則指示開(kāi)關(guān)裝置48有故障，如框166所示。此外，如果從步驟152確定Vexp為V+或者從步驟162確定Vexp為零，則在步驟168檢查開(kāi)關(guān)裝置44的閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)Vc2是否為高。如果結(jié)果是Vc2為高，則表示開(kāi)關(guān)裝置44有故障，如框170所示。應(yīng)當(dāng)注意，圖4、 圖5或圖6所示的步驟并不受其次序限制。在一個(gè)實(shí)施例中，步驟的一部分能夠并行執(zhí)行， 或者在另一個(gè)實(shí)施例中，步驟的次序能夠互換，只要它不影響最終結(jié)果即可。圖7是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路180。開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路180利用圖4所示的電壓計(jì)算模塊80。電路180還利用故障檢測(cè)算法182來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)裝置中的故障。算法182將預(yù)計(jì)電壓Vexp與從多電平轉(zhuǎn)換器臂輸出端子測(cè)量的實(shí)際電壓進(jìn)行比較。如果存在不匹配，則指示開(kāi)關(guān)裝置的故障。例如，如果Vexp為正電壓而實(shí)際電壓為零，則指示開(kāi)關(guān)裝置46短路。因此，故障檢測(cè)算法182檢測(cè)各種開(kāi)關(guān)裝置中的故障。雖然本文僅說(shuō)明和描述了本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)想到多種修改和變更。因此要理解，所附權(quán)利要求書(shū)預(yù)計(jì)涵蓋落入本發(fā)明的真實(shí)精神之內(nèi)的所有這類(lèi)修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種多電平轉(zhuǎn)換器，包括多個(gè)相臂(40)，各具有至少兩個(gè)內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置(44，46)、至少兩個(gè)外開(kāi)關(guān)裝置(42，48)、 至少兩個(gè)箝位二極管(50，52)和分離的DC鏈路(53)；以及開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路(70)，包括每個(gè)所述開(kāi)關(guān)裝置的邏輯模塊(72，74，76，78)，用以通過(guò)比較開(kāi)關(guān)裝置電壓(Vswl， Vsw2,Vsw3,Vsw4)和閾值參考電壓(Vth)來(lái)生成閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)(Vcl，Vc2，Vc 3，Vc4)；電壓計(jì)算模塊(80)，用以基于所述開(kāi)關(guān)裝置的所述柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)(G1，G2，G3，G4)和輸出電流(Io)方向來(lái)確定每個(gè)所述開(kāi)關(guān)裝置的預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)(Vsl，Vs2，Vs3，Vs4)；故障檢測(cè)算法(82)，用以基于所述閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)和所述開(kāi)關(guān)裝置的所述預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)來(lái)檢測(cè)任一個(gè)所述開(kāi)關(guān)裝置中的故障狀況。
2.如權(quán)利要求1所述的多電平轉(zhuǎn)換器，其中，電壓計(jì)算模塊確定所述多電平轉(zhuǎn)換器輸出端子處的預(yù)計(jì)輸出電壓，并且其中所述內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置其中之一包括頂部?jī)?nèi)開(kāi)關(guān)裝置，所述內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置的另一個(gè)包括底部?jī)?nèi)開(kāi)關(guān)裝置，所述外開(kāi)關(guān)裝置其中之一包括頂部外開(kāi)關(guān)裝置，以及所述外開(kāi)關(guān)裝置的另一個(gè)包括底部外開(kāi)關(guān)裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的多電平轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)任一個(gè)所述內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高以及兩個(gè)所述外開(kāi)關(guān)裝置的所述柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為低時(shí)，所述預(yù)計(jì)電壓為零電壓。
4.如權(quán)利要求5所述的多電平轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述頂部?jī)?nèi)開(kāi)關(guān)裝置和頂部外開(kāi)關(guān)裝置的所述柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為高時(shí)或者當(dāng)所述輸出電流方向?yàn)樨?fù)并且所有所述開(kāi)關(guān)裝置的所述柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為低時(shí)，所述預(yù)計(jì)輸出電壓為正電壓。
5.如權(quán)利要求2所述的多電平轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述底部?jī)?nèi)開(kāi)關(guān)裝置和底部外開(kāi)關(guān)裝置的所述柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為高時(shí)或者當(dāng)所述輸出電流方向?yàn)檎⑶宜兴鲩_(kāi)關(guān)裝置的所述柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為低時(shí)，所述預(yù)計(jì)輸出電壓為負(fù)電壓。
6.如權(quán)利要求2所述的多電平轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述預(yù)計(jì)輸出電壓不為正并且所述頂部外開(kāi)關(guān)裝置的所述閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)為低時(shí)，所述故障檢測(cè)算法檢測(cè)所述頂部外開(kāi)關(guān)裝置中的所述故障狀況。
7.如權(quán)利要求2所述的多電平轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述預(yù)計(jì)輸出電壓為負(fù)并且所述頂部?jī)?nèi)開(kāi)關(guān)裝置的所述閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)為低時(shí)，所述故障檢測(cè)算法檢測(cè)所述頂部?jī)?nèi)開(kāi)關(guān)裝置中的所述故障狀況。
8.如權(quán)利要求2所述的多電平轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述預(yù)計(jì)輸出電壓為正并且所述底部?jī)?nèi)開(kāi)關(guān)裝置的所述閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)為低時(shí)，所述故障檢測(cè)算法檢測(cè)所述底部?jī)?nèi)開(kāi)關(guān)裝置中的所述故障狀況。
9.如權(quán)利要求2所述的多電平轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述預(yù)計(jì)輸出電壓不為負(fù)并且所述底部外開(kāi)關(guān)裝置的所述閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)為低時(shí)，所述故障檢測(cè)算法檢測(cè)所述底部外開(kāi)關(guān)裝置中的所述故障狀況。
10.一種多電平轉(zhuǎn)換器，包括多個(gè)相臂(40)，各具有至少兩個(gè)內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置(44，46)、至少兩個(gè)外開(kāi)關(guān)裝置(42，48)、 至少兩個(gè)箝位二極管(50，52)和分離的DC鏈路(53)；以及開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路(180)，包括電壓計(jì)算模塊(80)，用以基于開(kāi)關(guān)裝置的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)(Gl，G2，G3，G4)和輸出電流(Io)方向來(lái)確定相臂的相端子處的預(yù)計(jì)輸出電壓(Vexp)；故障檢測(cè)算法(18 ，用以通過(guò)將所述預(yù)計(jì)輸出電壓與實(shí)際輸出電壓進(jìn)行比較，來(lái)檢測(cè)任一個(gè)所述開(kāi)關(guān)裝置中的故障狀況。
全文摘要
本發(fā)明用于多電平轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)系統(tǒng)和方法，多電平轉(zhuǎn)換器包括各具有至少兩個(gè)內(nèi)開(kāi)關(guān)裝置、至少兩個(gè)外開(kāi)關(guān)裝置、至少兩個(gè)箝位二極管、分離的DC鏈路的多個(gè)相臂以及開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路。開(kāi)關(guān)裝置故障檢測(cè)電路包括用于每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的邏輯模塊、電壓計(jì)算模塊和故障檢測(cè)算法。邏輯模塊通過(guò)比較開(kāi)關(guān)裝置電壓和閾值參考電壓來(lái)生成閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)，并且電壓計(jì)算模塊基于開(kāi)關(guān)裝置的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電流方向來(lái)確定每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)。故障檢測(cè)算法基于開(kāi)關(guān)裝置的預(yù)計(jì)電壓閉塞狀態(tài)和閉塞狀態(tài)邏輯信號(hào)來(lái)檢測(cè)任一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的故障狀況。
文檔編號(hào)G01R31/02GK102353896SQ20111016137
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者P·索爾迪, R·勒斯納, S·施勒德 申請(qǐng)人:通用電氣公司