專利名稱：用于電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于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(qū)別是直流側(cè)工作電壓特別高， 逆變橋輸出經(jīng)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(fā)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(fā)生器直流側(cè)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， 由于二極管存在反向恢復時間，橋臂在一定時間內(nèi)會處于上下直通狀態(tài)。若此時直流側(cè)電 壓較高，則將產(chǎn)生很大的瞬時直通電流，進而產(chǎn)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(fā)或燒毀。雖然有些在工業(yè)中應用的電壓輸出型逆變器也存在橋臂直通 問題，但由于直流側(cè)電壓較低，產(chǎn)生的直通沖擊電流較小，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(qū)動電路的設計[J].通信技術，2009， 42(11) 235-237.；胡宇，呂征宇.IGBT驅(qū)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.基于有源電力濾波器的IGBT驅(qū)動及保護研究 [J].通信電源技術，2008，25 (5) :4-6.)提出了基于IGBT驅(qū)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(qū)動電路，但這類方法沒考慮逆變電路正常工作時由續(xù) 流二極管、另一橋臂開關管和直流側(cè)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(cè)并聯(lián)高頻電容以降低開關損耗和過電壓，反而更 增加了二極管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]提出了一種用于集成門極換流晶閘管(IGCT)的保護電路，但并未將其用 于帶有反并聯(lián)二極管的IGBT保護中。首先基于工作原理和實驗波形，分析功率器件的動態(tài)開關特性，以及由器件開關 特性引起的直通現(xiàn)象而產(chǎn)生電流尖峰的原因。通過分析發(fā)現(xiàn)，完全消除電流尖峰是不可能 的，只能采取必要措施以降低電流尖峰的幅值并將其限制在開關器件可以承受的合理范圍 內(nèi)。1逆變電路產(chǎn)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(jié)構(gòu)。圖1中，Q1和Q2為IGBT開關管，D1和D2為Q1和Q2反并聯(lián)二極管。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(qū)動信號時，假定此時電流流經(jīng)D1，則當Q2開通時，電流從D1轉(zhuǎn)移到Q2,當D1電流降到零 時，電感電流已全部轉(zhuǎn)移到Q2。由于二極管D1反向恢復時間的存在，此時D1處于反向?qū)?狀態(tài)，直流側(cè)電壓直接加到D1和Q2上。由于D1和Q2的動態(tài)阻抗很低，直流側(cè)電壓在D1和Q2上產(chǎn)生很大的直通電流，唯一限制直通電流的是D1和Q2的動態(tài)阻抗和線路雜散電感。此 后隨著二極管PN結(jié)電荷勢壘區(qū)的恢復，二極管恢復反向阻斷狀態(tài)，但由于線路雜散電感和 二極管PN結(jié)等效電容的作用，電流呈現(xiàn)振蕩下降的趨勢。由于在圖1電路中直流側(cè)電壓很高[趙國鵬，劉進軍.靜止無功發(fā)生器直流側(cè)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(xiàn)象發(fā)生時沖擊電流會達到一個很大的值，從而產(chǎn)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(jīng)二極管D2。圖2b中，、時刻Q2保持關閉， Q1打開，由于IGBT開通時間極短，電流很快由D2轉(zhuǎn)移到Q1，此時D2由于反向恢復時間的關 系仍然保持為開通狀態(tài)，直流側(cè)電壓經(jīng)雜散電感回到開通的D2和Q2上，形成很大的直流環(huán) 路直通尖峰電流。t2時刻，二極管正向?qū)ㄋ璧慕Y(jié)電荷在尖峰電流的作用下消耗完畢，勢 壘區(qū)開始恢復，電流開始下降。由于結(jié)電容和雜散電感的關系，電流振蕩減小，直到二極管 完全恢復阻斷狀態(tài)為止。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決逆變橋橋臂電路產(chǎn)生沖擊尖峰電流的危害，提供一種用 于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沖擊 尖峰電流、di/dt和du/dt，可防止開關器件出現(xiàn)誤觸發(fā)以有效保護功率器件。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案一種用于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(jié)構(gòu)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反并 聯(lián)一個二極管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(lián)的二 極管D3、電容C以及串聯(lián)的電感L、電容Cl、電容C2并聯(lián)；二極管D3的陽極經(jīng)電阻R與電 容Cl 一端連接。所述電感L取值遠小于電感Ll取值。所述電容C取值遠小于電容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(jīng)電阻R的 電流值小于IGBT 二極管的最大允許方向恢復電流。本發(fā)明的有益效果是結(jié)構(gòu)簡單，可有效地降低功率器件開關過程中的沖擊尖峰 電流、di/dt和du/dt，可防止器件出現(xiàn)誤觸發(fā)，能有效保護功率器件。大量的實驗結(jié)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(xiàn)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(fā)明中與一相連接的IGBT保護電路示意圖；圖4a為本發(fā)明的保護試驗波形；
圖4b為本發(fā)明的保護試驗波形。
具體實施例方式下結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)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(fā)明提出的IGBT橋臂保護電路拓撲如圖3所示。在原IGBT橋臂上并聯(lián)了 LCRD (電感、電容、電阻和二極管組成的)橋臂保護電路， 在取值上電感L遠小于電感L1,電容C遠小于電容C1和C2,電阻R的取值則需使得U/R小 于IGBT 二極管的最大允許反向恢復電流。若原電流為Q2開通時電流流經(jīng)Q2,D3保持關斷狀態(tài)，Q2上的電壓為零。當Q2關斷 時，電流轉(zhuǎn)移到D1上，并經(jīng)D3對電容C進行充電。此時由于沒有二極管處于反向恢復狀態(tài)， 因此在電路中不會出現(xiàn)明顯的橋臂直通現(xiàn)象，沒有大的沖擊電流出現(xiàn)，此種運行狀態(tài)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(jīng)D2, D3保持關斷狀態(tài)，Q2上的電壓為零。當Q2關斷 時，電流繼續(xù)流經(jīng)D2, Q2上的電壓仍為零。當Q1開通時，電流由D2轉(zhuǎn)移到Q1,此時橋臂處于 短路狀態(tài)，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(xiàn)零電壓 開通。此后A點電壓逐漸上升，直到D2經(jīng)過反向恢復過程后完全恢復阻斷能力。 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(jīng)QnD3保持關斷狀態(tài),Q1上的電壓為零。當Q1關斷 時，電流轉(zhuǎn)移到D2上。此時由于沒有二極管處于反向恢復狀態(tài)，因此在電路中不會出現(xiàn)明 顯的橋臂直通現(xiàn)象，沒有大的開關管沖擊電流出現(xiàn)。但此時D3導通，電感L上的電流經(jīng)D3、 C, R^C1和C2放電，有L 色二 U-Uc(2)
dt(3) R在此開關狀態(tài)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(jīng)DnD3保持關斷狀態(tài),Q1上的電壓為零。當Q1關斷 時，電流仍然流經(jīng)Dp當當Q2開通時，電流由D1轉(zhuǎn)移到Q2,當D1電流為零時，電路進入橋臂 直通狀態(tài)，但由于電感L的限流作用，會出現(xiàn)和“2. 2”同樣的情況。若原電流為Q2開通時電流流經(jīng)D2,且此時電感L經(jīng)D3保持有一定電流，則當當Q2 關斷時，電流繼續(xù)流經(jīng)D2, Q2上的電壓仍為零。當Q1開通時，電流由D2轉(zhuǎn)移到Q1，此時橋臂 處于短路狀態(tài)。此時D3上的電流轉(zhuǎn)移到Q1, D3可以和D2 —同處于反向恢復狀態(tài)，電容C上 的電壓直接加到橋臂上，同時經(jīng)短暫時間后電壓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(chǎn)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 沖擊電流最大，對橋臂也最危險，在選擇元件時要加以優(yōu)化。沖擊電流如圖4b所示。但由于電容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(wěn)定。在這個過程中還會由于開關管雜散參數(shù)的影響電容電壓會有波動。本發(fā)明中逆變橋保護電路的參數(shù)選擇1電感的選擇由IGBT參數(shù)可知，IGBT允許沖擊電流一般遠大于其反并聯(lián)二極管允許沖擊電流。 由公式(1)可知，電感的選擇應使在二極管的反向恢復時間內(nèi)的電流增加值低于二極管最 大允許沖擊電流(因二極管參數(shù)中一般不提供最大允許反向恢復電流，而大電流二極管基 本上都是面二極管，承受電流能力主要取決于PN結(jié)面的大小，因此用最大允許沖擊電流代 替最大允許反向恢復電流)。設二極管反向恢復時間為At，最大允許沖擊電流為Im，則有
權利要求
一種用于電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，其特征是，在每一相上均設有結(jié)構(gòu)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反并聯(lián)一個二極管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(lián)的二極管D3、電容C以及串聯(lián)的電感L、電容C1、電容C2并聯(lián)；二極管D3的陽極經(jīng)電阻R與電容C1一端連接。
2.如權利要求1所述的用于電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，其特征是，所 述電感L取值遠小于電感Ll取值。
3.如權利要求1所述的用于電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，其特征是，所 述電容C取值遠小于電容Cl、電容C2取值。
4.如權利要求1所述的用于電流輸出型逆變器的三相四線橋保護電路，其特征是，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(jīng)電阻R的電流值小于 IGBT 二極管的最大允許方向恢復電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于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沖擊尖峰電流、di/dt和du/dt，可防止開關器件出現(xiàn)誤觸發(fā)以有效保護功率器件。在每一相上均設有結(jié)構(gòu)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反并聯(lián)一個二極管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(lián)的二極管D3、電容C以及串聯(lián)的電感L、電容C1、電容C2并聯(lián)；二極管D3的陽極經(jīng)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(yōu)先權日2010年11月26日
發(fā)明者慕世友, 李慶民, 段玉兵, 毛慶波, 程艷, 趙鵬, 龔宇雷 申請人:山東電力研究院