專利名稱：二極管箝位型多電平變換器的限流保護方法及其實現(xiàn)電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明公開一種二極管箝位型多電平變換器的限流保護方法及其實現(xiàn)電路，可以應用于二極管箝位型的多電平變換器，其應用包括不間斷電源(UPQ、變頻器、逆變器等含有該部分拓撲的電力變換裝置。
背景技術：
二極管箝位型多電平電路是新型的電力變換拓撲，其單相的三電平逆變器拓撲結構如圖ι所示，功率管Ql-功率管Q4為主功率管，其中，功率管Ql和功率管Q4行業(yè)中通常稱為外功率管，功率管Q2和功率管Q3行業(yè)中通常稱為內(nèi)功率管，電容Cl-電容C4代表功率管Ql-功率管Q4的等效輸出結電容或電路外加的電容，二極管D5和二極管D6為中點箝位二極管，其兩端分別接各自的吸收電路，電容C5和電容C6是其中的吸收電容。其優(yōu)點在于效率高，開關應力為母線的一半，是應用最廣泛的多電平電路拓撲。當逆變器突加沖擊性負載或者輸出短路時，逆變器輸出電流會迅速上升，一般的方法是檢測到電流超過設定值時， 封鎖逆變器功率管的驅動，當電流下降到設定值以下時，解除功率管的驅動封鎖，變換器正常工作。這種方法的主要問題是，當封鎖信號解除時，功率管進入正常工作模式，假如功率開關管Ql，功率開關管Q2 —起導通，則電容Cl，電容C2和電容C5同時被充電，由于箝位二極管D5和箝位二極管D6的吸收電容C5和吸收電容C6的容值遠大于功率管的輸出等效結電容(電容Cl-電容C4)，電容Cl (或電容C4)的充電電壓很低，所以這個過程中電容C2的電壓會大于電容Cl的電壓，會存在內(nèi)側功率管和外側功率管不均壓的情況，嚴重影響器件的安全。目前對于這種不均壓的情況，業(yè)界有幾種解決方法一種是提高功率管的耐壓值至總母線電壓以上，如1200V，這樣可以避免超過功率管的額定工作電壓，但是會帶來設備成本的增加；一種是增加新的控制電路，當電流下降到設定值后，增加一種新的發(fā)波時序， 使內(nèi)側功率管先強制開通時間tcl，再根據(jù)當前工作狀態(tài)使其中一個內(nèi)側功率管關斷時間 tc2，隨后再進入正常的PWM發(fā)波方式，這種方法的好處是控制可靠，但是缺點是功能比較復雜，需要改變原有的PWM發(fā)波方式，所以需要增加復雜可編程邏輯器件(CPLD)等復雜器件來實現(xiàn)，也增加了系統(tǒng)的硬件成本。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述提到的現(xiàn)有技術中的二極管箝位型多電平電路中解決內(nèi)側功率管和外側功率管不均壓的問題，硬件實現(xiàn)成本高的缺點，本發(fā)明提供一種離散元件搭接成的簡單實現(xiàn)電路，大大降低了產(chǎn)品的成本。本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是一種二極管箝位型多電平變換器的限流保護方法，該方法為當多電平變換器的逆變輸出電流超過設定值時，先封鎖外功率開關管，延時時間tdl后封鎖內(nèi)功率開關管，保證外功率開關管只承受半邊母線應力；當多電平變換器的逆變輸出電流下降到設定值后，內(nèi)功率開關管的封鎖信號解除，外功率開關管的
4封鎖信號必須由兩個內(nèi)功率開關管驅動信號的上升沿共同來解除。一種實現(xiàn)上述的保護方法的電路，電路包括內(nèi)管保護電路和外管保護電路，每組外管保護電路包括一組D觸發(fā)器Ul和一個D觸發(fā)器U2，外管驅動信號Gl和外管驅動信號 G4分別輸入或門U3的兩個輸入端，或門U3的輸出端連接至D觸發(fā)器Ul的時鐘信號輸入端，內(nèi)管驅動信號G2或內(nèi)管驅動信號G3分別輸入與門U5的兩個輸入端，與門U5的輸出端連接至D觸發(fā)器U2的時鐘信號輸入端，過流信號連接至D觸發(fā)器U2的復位信號輸入端，D 觸發(fā)器U2的負輸出端與D觸發(fā)器Ul的復位信號輸入端連接，D觸發(fā)器Ul和D觸發(fā)器U2的數(shù)據(jù)信號端接高電平，D觸發(fā)器Ul的正輸出端和外管驅動信號Gl或外管驅動信號G4分別輸入與門U4的兩個輸入端，與門U4的輸出端作為外功率開關管Ql或外功率開關管Q4的驅動信號；每組內(nèi)管保護電路包括延時反向電路U7和與門U6,過流信號經(jīng)過延時反向電路 U7后和內(nèi)管驅動信號G2或內(nèi)管驅動信號G3分別輸入與門U6的兩個輸入端，與門U6的輸出端作為內(nèi)功率開關管Q2或內(nèi)功率開關管Q3的驅動信號。本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案進一步還包括所述的過流信號延時tdl的時間長度為200 μ S-1000 μ S。所述的過流信號延時tdl的時間長度為500 μ S。所述的方法為外管驅動信號Gl或外管驅動信號G4作為D觸發(fā)器Ul的時鐘信號， 內(nèi)管驅動信號G2和內(nèi)管驅動信號G3共同作為D觸發(fā)器U2的時鐘信號，D觸發(fā)器Ul和D觸發(fā)器U2的數(shù)據(jù)信號端都保持高電平，當多電平變換器的逆變輸出電流超過設定值時，過流信號為高電平，作為D觸發(fā)器U2的復位信號，使D觸發(fā)器U2的負輸出端輸出低電平，D觸發(fā)器U2的負輸出端作為D觸發(fā)器Ul的復位信號，使D觸發(fā)器Ul的正輸出端輸出高電平外管驅動信號Gl或外管驅動信號G4與邏輯后共同作為外功率開關管Ql或外功率開關管Q4的驅動信號，封鎖外功率開關管Ql和外功率開關管Q4，同時，過流信號經(jīng)過延時、反向后和內(nèi)管驅動信號G2或內(nèi)管驅動信號G3與邏輯后共同作為內(nèi)功率開關管Q2或內(nèi)功率開關管Q3 的驅動信號，封鎖內(nèi)功率開關管Q2和內(nèi)功率開關管Q3 ；當多電平變換器的逆變輸出電流下降到設定值后，過流信號為低電平，過流信號經(jīng)過延時、反向后輸出高電平解除內(nèi)功率開關管Q2和內(nèi)功率開關管Q3的封鎖信號，過流信號使D觸發(fā)器U2的負輸出端受內(nèi)管驅動信號 G2和內(nèi)管驅動信號G3與邏輯后的上升沿控制，當內(nèi)管驅動信號G2和內(nèi)管驅動信號G3與邏輯后有上升沿時，D觸發(fā)器U2的負輸出端輸出低電平，使D觸發(fā)器Ul的正輸出端受外管驅動信號Gl或外管驅動信號G4的上升沿控制，當外管驅動信號Gl或外管驅動信號G4有上升沿時，解除對外功率開關管Ql和外功率開關管Q4的封鎖。當與門U4的兩個輸入端分別連接D觸發(fā)器Ul的正輸出端和外管驅動信號Gl時， 與門U4的輸出端作為外功率開關管Ql的驅動信號；當與門U4的兩個輸入端分別連接D觸發(fā)器Ul的正輸出端和外管驅動信號G4時，與門U4的輸出端作為外功率開關管Q4的驅動信號。當與門TO的兩個輸入端分別連接延時反向電路U7的輸出端和內(nèi)管驅動信號G2 時，與門U6的輸出端作為內(nèi)功率開關管Q2的驅動信號；當與門U6的兩個輸入端分別連接延時反向電路U7的輸出端和內(nèi)管驅動信號G3時，與門U6的輸出端作為內(nèi)功率開關管Q3 的驅動信號。所述的與門TO為與門芯片，延時反向電路U7為延時時間為200μ s-ΙΟΟΟμ s的延時反向電路。所述的延時反向電路U7為延時時間為500 μ s的延時反向電路。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用離散元件搭接成簡單的控制電路，本發(fā)明可以用簡潔的電路來避免故障恢復時的功率管不均壓問題，使功率管的工作電壓可以大大降低，為器件選型和設備安全帶來極大的好處。本發(fā)明無需對主電路控制進行修改，不需要進行復雜的邏輯判斷和編程，僅需要增加低廉的邏輯器件即可，極大地降低了硬件成本。下面將結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。


圖1為現(xiàn)有技術中二極管箝位型三電平電路的拓撲結構圖(以單相為例)。圖2為本發(fā)明控制邏輯原理圖。圖3為本發(fā)明限流保護過程中的功率管驅動時序圖(正半周為例)。
具體實施例方式本實施例為本發(fā)明優(yōu)選實施方式，其他凡其原理和基本結構與本實施例相同或近似的，均在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。請參看附圖2，本發(fā)明中電路包括兩組內(nèi)管保護電路和兩組外管保護電路，其中兩組內(nèi)管保護電路是一樣的，兩組外管保護電路是一樣的。下面各以其中一組為例，進行說明，其中一組外管保護電路包括一組D觸發(fā)器Ul和一個D觸發(fā)器U2，外管驅動信號Gl和外管驅動信號G4分別輸入或門U3的兩個輸入端，或門U3的輸出端連接至D觸發(fā)器Ul的時鐘信號輸入端，內(nèi)管驅動信號G2或內(nèi)管驅動信號G3分別輸入與門U5的兩個輸入端，與門 U5的輸出端連接至D觸發(fā)器U2的時鐘信號輸入端，過流信號連接至D觸發(fā)器U2的復位信號輸入端，D觸發(fā)器U2的負輸出端與D觸發(fā)器Ul的復位信號輸入端連接，D觸發(fā)器Ul和D 觸發(fā)器U2的數(shù)據(jù)信號端接高電平，D觸發(fā)器Ul的正輸出端和外管驅動信號Gl分別輸入與門U4的兩個輸入端，與門U4的輸出端作為外功率開關管Ql的驅動信號。另一組外管保護電路與上一組相同，不同之處在于，與門U4的兩個輸入端分別連接D觸發(fā)器Ul的正輸出端和外管驅動信號G4時，與門U4的輸出端作為外功率開關管Q4的驅動信號。其中一組內(nèi)管保護電路包括延時反向電路U7和與門U6，過流信號經(jīng)過延時反向電路U7后和內(nèi)管驅動信號G2分別輸入與門U6的兩個輸入端，與門U6的輸出端作為內(nèi)功率開關管Q2的驅動信號。 另一組內(nèi)管保護電路與上一組相同，不同之處在于，與門U6的兩個輸入端分別連接延時反向電路U7的輸出端和內(nèi)管驅動信號G3時，與門U6的輸出端作為內(nèi)功率開關管Q3的驅動信號。本實施例中，延時反向電路U7可選用延時時間為200 μ s-1000 μ s的延時反向電路， 優(yōu)選的為延時時間為500 μ s延時反向電路。上述實施例中以兩組內(nèi)管保護電路和兩組外管保護電路為例進行具體說明，具體實施時，可根據(jù)實際需要將內(nèi)管保護電路和外管保護電路擴展至多組，每組內(nèi)管保護電路和外管保護電路的元器件及其連接關系與上述實施例中相同。本發(fā)明中的限流保護方法，主要是當多電平變換器的逆變輸出電流超過設定值時，先封鎖外功率開關管，延時時間tdl后封鎖內(nèi)功率開關管，保證外功率開關管只承受半邊母線應力；當多電平變換器的逆變輸出電流下降到設定值后，內(nèi)功率開關管的封鎖信號解除，外功率開關管的封鎖信號必須由兩個內(nèi)功率開關管驅動信號的上升沿共同來解除。本實施例中，利用上述保護電路實現(xiàn)的方法為外管驅動信號Gl或外管驅動信號 G4作為D觸發(fā)器Ul的時鐘信號，內(nèi)管驅動信號G2和內(nèi)管驅動信號G3共同作為D觸發(fā)器 U2的時鐘信號，D觸發(fā)器Ul和D觸發(fā)器U2的數(shù)據(jù)信號端都保持高電平，當多電平變換器的逆變輸出電流超過設定值時，過流信號為高電平，作為D觸發(fā)器U2的復位信號，使D觸發(fā)器 U2的負輸出端輸出低電平，D觸發(fā)器U2的負輸出端作為D觸發(fā)器Ul的復位信號，使D觸發(fā)器Ul的正輸出端輸出低電平外管驅動信號Gl與邏輯后共同作為外功率開關管Ql的驅動信號，同樣的電路，D觸發(fā)器Ul的正輸出端輸出低電平外管驅動信號G4與邏輯后可以共同作為外功率開關管Q4的驅動信號，由于與門U4有一個輸入端為低電平，所以其輸出端一定為低電平，從而實現(xiàn)封鎖外功率開關管Ql和外功率開關管Q4，同時，過流信號經(jīng)過延時、反向(本實施例中，過流信號延時的時間長度為200 μ S-1000 μ S，優(yōu)選值為500 μ S)后和內(nèi)管驅動信號G2與邏輯后共同作為內(nèi)功率開關管Q2的驅動信號，同樣的電路，過流信號經(jīng)過延時、反向后和內(nèi)管驅動信號G3與邏輯后共同作為內(nèi)功率開關管Q3的驅動信號，由于與門 U6有一個輸入端為低電平，所以其輸出端一定為低電平，從而實現(xiàn)封鎖內(nèi)功率開關管Q2和內(nèi)功率開關管Q3;當多電平變換器的逆變輸出電流下降到設定值后，過流信號為低電平， 過流信號經(jīng)過延時、反向(本實施例中，過流信號延時的時間長度為200 μ s-1000 μ s，優(yōu)選值為500 μ s)后輸出高電平解除內(nèi)功率開關管Q2和內(nèi)功率開關管Q3的封鎖信號，由于與門U4有一個輸入端為高電平，所以其輸出端取決于另一個輸入端的電平高低，即此時與門 U4的輸出信號與輸入信號相同，利用內(nèi)管驅動信號G2驅動內(nèi)功率開關管Q2，利用內(nèi)管驅動信號G3驅動內(nèi)功率開關管Q3，過流信號使D觸發(fā)器U2的負輸出端受內(nèi)管驅動信號G2和內(nèi)管驅動信號G3與邏輯后的上升沿控制，當內(nèi)管驅動信號G2和內(nèi)管驅動信號G3與邏輯后有上升沿時，D觸發(fā)器U2的負輸出端輸出低電平，使D觸發(fā)器Ul的正輸出端受外管驅動信號 Gl或外管驅動信號G4的上升沿控制，當外管驅動信號Gl或外管驅動信號G4有上升沿時， 解除對外功率開關管Ql和外功率開關管Q4的封鎖。本發(fā)明在使用時，G1-G4分別為CPU發(fā)出的Q1-Q4的驅動信號，其中Gl和G4為外管驅動信號，G2和G3為內(nèi)管驅動信號。請結合參看附圖3，本發(fā)明正常工作狀態(tài)時，在輸出電壓的正半周，功率開關管Q2 —直開通，功率開關管Q4 —直關斷，功率開關管Ql和功率開關管Q3分別為互補的PWM開關狀態(tài)，在輸出電壓的負半周則功率開關管Ql —直關斷，功率開關管Q3 —直導通，功率開關管Q2和功率開關管Q4分別為互補的PWM開關狀態(tài)；當過流信號有效時，在D觸發(fā)器Ul和D觸發(fā)器U2的作用下，外側功率開關管Ql和外側功率開關管Q4被關斷，對于內(nèi)側功率開關管Q2和內(nèi)側功率開關管Q3，經(jīng)過一個延時時間tdl后也被封鎖，保證了封鎖時候內(nèi)管不會比外管先關閉；當過流信號解除時，內(nèi)側功率開關管Q2和內(nèi)側功率開關管Q3的封鎖被無條件解除，進入正常工作狀態(tài)，而外側功率開關管Ql和外側功率開關管Q4的封鎖信號則要由內(nèi)管驅動信號G2和內(nèi)管驅動信號G3與邏輯的上升沿來解除，以正半周為例，外側功率開關管Ql和外側功率開關管Q4重新開通之前，內(nèi)側功率開關管Q2和內(nèi)側功率開關管Q3已經(jīng)開通過，外側功率開關管Ql的體電容Cl和外側功率開關管Q4的體電容C4均已經(jīng)被充電至半邊母線，這時候再開通外側功率開關管Ql和外側功率開關管Q4，也就不會存在內(nèi)、外側功率管電壓不平衡的問題了。本發(fā)明利用離散元件搭接成簡單的控制電路，本發(fā)明可以用簡潔的電路來避免故障恢復時的功率管不均壓問題，使功率管的工作電壓可以大大降低，為器件選型和設備安全帶來極大的好處。本發(fā)明無需對主電路控制進行修改，不需要進行復雜的邏輯判斷和編程，僅需要增加低廉的邏輯器件即可，極大地降低了硬件成本。
權利要求
1.一種二極管箝位型多電平變換器的限流保護方法，其特征是所述的方法為當多電平變換器的逆變輸出電流超過設定值時，先封鎖外功率開關管，延時時間tdl后封鎖內(nèi)功率開關管，保證外功率開關管只承受半邊母線應力；當多電平變換器的逆變輸出電流下降到設定值后，內(nèi)功率開關管的封鎖信號解除，外功率開關管的封鎖信號必須由兩個內(nèi)功率開關管驅動信號的上升沿共同來解除。
2.根據(jù)權利要求1所述的二極管箝位型多電平變換器的限流保護方法，其特征是所述的過流信號延時tdl的時間長度為200 μ s-1000 μ S。
3.根據(jù)權利要求2所述的二極管箝位型多電平變換器的限流保護方法，其特征是所述的過流信號延時tdl的時間長度為500 μ S。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的二極管箝位型多電平變換器的限流保護方法，其特征是所述的方法為外管驅動信號Gl和外管驅動信號G4的或邏輯作為D觸發(fā)器Ul的時鐘信號，內(nèi)管驅動信號G2和內(nèi)管驅動信號G3的與邏輯作為D觸發(fā)器U2的時鐘信號，D觸發(fā)器Ul和D觸發(fā)器U2的數(shù)據(jù)信號端都保持高電平，當多電平變換器的逆變輸出電流超過設定值時，過流信號為高電平，作為D觸發(fā)器U2的復位信號，使D觸發(fā)器U2的負輸出端輸出高電平，D觸發(fā)器U2的負輸出端作為D觸發(fā)器Ul的復位信號，使D觸發(fā)器Ul的正輸出端輸出低電平，D觸發(fā)器Ul的正輸出端與外管驅動信號Gl或外管驅動信號G4與邏輯后共同作為外功率開關管Ql或外功率開關管Q4的驅動信號，D觸發(fā)器Ul的正輸出端低電平時封鎖外功率開關管Ql和外功率開關管Q4，同時，過流信號經(jīng)過延時、反向后分別與內(nèi)管驅動信號G2或內(nèi)管驅動信號G3與邏輯后共同作為內(nèi)功率開關管Q2或內(nèi)功率開關管Q3的驅動信號，封鎖內(nèi)功率開關管Q2和內(nèi)功率開關管Q3 ；當多電平變換器的逆變輸出電流下降到設定值后，過流信號為低電平，過流信號經(jīng)過延時、反向后輸出高電平解除內(nèi)功率開關管Q2 和內(nèi)功率開關管Q3的封鎖信號，過流信號使D觸發(fā)器U2的負輸出端受內(nèi)管驅動信號G2和內(nèi)管驅動信號G3與邏輯后的上升沿控制，當內(nèi)管驅動信號G2和內(nèi)管驅動信號G3與邏輯后有上升沿時，D觸發(fā)器U2的負輸出端輸出低電平，使D觸發(fā)器Ul的正輸出端受外管驅動信號Gl或外管驅動信號G4的上升沿控制，當外管驅動信號Gl或外管驅動信號G4有上升沿時，解除對外功率開關管Ql和外功率開關管Q4的封鎖。
5.一種實現(xiàn)如權利要求1所述的保護方法的電路，其特征是所述的電路包括內(nèi)管保護電路和外管保護電路，每組外管保護電路包括一組D觸發(fā)器Ul和一個D觸z發(fā)器U2，外管驅動信號Gl和外管驅動信號G4分別輸入或門U3的兩個輸入端，或門U3的輸出端連接至D 觸發(fā)器Ul的時鐘信號輸入端，內(nèi)管驅動信號G2或內(nèi)管驅動信號G3分別輸入與門U5的兩個輸入端，與門U5的輸出端連接至D觸發(fā)器U2的時鐘信號輸入端，過流信號連接至D觸發(fā)器U2的復位信號輸入端，D觸發(fā)器U2的負輸出端與D觸發(fā)器Ul的復位信號輸入端連接，D 觸發(fā)器Ul和D觸發(fā)器U2的數(shù)據(jù)信號端接高電平，D觸發(fā)器Ul的正輸出端和外管驅動信號 Gl或外管驅動信號G4分別輸入與門U4的兩個輸入端，與門U4的輸出端作為外功率開關管 Ql或外功率開關管Q4的驅動信號；每組內(nèi)管保護電路包括延時反向電路U7和與門U6,過流信號經(jīng)過延時反向電路U7后和內(nèi)管驅動信號G2或內(nèi)管驅動信號G3分別輸入與門U6的兩個輸入端，與門U6的輸出端作為內(nèi)功率開關管Q2或內(nèi)功率開關管Q3的驅動信號。
6.根據(jù)權利要求3所述的電路，其特征是當與門U4的兩個輸入端分別連接D觸發(fā)器 Ul的正輸出端和外管驅動信號Gl時，與門U4的輸出端作為外功率開關管Ql的驅動信號；當與門U4的兩個輸入端分別連接D觸發(fā)器Ul的正輸出端和外管驅動信號G4時，與門U4 的輸出端作為外功率開關管Q4的驅動信號。
7.根據(jù)權利要求3所述的電路，其特征是當與門U6的兩個輸入端分別連接延時反向電路U7的輸出端和內(nèi)管驅動信號G2時，與門U6的輸出端作為內(nèi)功率開關管Q2的驅動信號；當與門U6的兩個輸入端分別連接延時反向電路U7的輸出端和內(nèi)管驅動信號G3時，與門U6的輸出端作為內(nèi)功率開關管Q3的驅動信號。
8.根據(jù)權利要求3所述的電路，其特征是所述的與門TO為與門芯片，延時反向電路 U7為延時時間為200 μ s-1000 μ s的延時反向電路。
9.根據(jù)權利要求3所述的電路，其特征是所述的延時反向電路U7為延時時間為 500 μ s的延時反向電路。
全文摘要
一種二極管箝位型多電平變換器的限流保護方法及其實現(xiàn)電路，當多電平變換器的逆變輸出電流超過設定值時，先封鎖外功率開關管，延時時間td1后封鎖內(nèi)功率開關管，保證外功率開關管只承受半邊母線應力；當多電平變換器的逆變輸出電流下降到設定值后，內(nèi)功率開關管的封鎖信號解除，外功率開關管的封鎖信號必須由兩個內(nèi)功率開關管驅動信號的上升沿共同來解除。本發(fā)明可以用簡潔的電路來避免故障恢復時的功率管不均壓問題，使功率管的工作電壓可以大大降低，為器件選型和設備安全帶來極大的好處。本發(fā)明無需對主電路控制進行修改，不需要進行復雜的邏輯判斷和編程，僅需要增加低廉的邏輯器件即可，極大地降低了硬件成本。
文檔編號H02M1/32GK102386754SQ201010294859
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月28日 優(yōu)先權日2010年9月28日
發(fā)明者劉兆燊, 夏小榮, 徐輝, 楊成林 申請人:深圳市英威騰電源有限公司