一種分步式雙級矩陣變換器停機保護控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分步式雙級矩陣變換器停機保護控制方法。該方法改變了以往雙級式矩陣變換器在發(fā)生過壓、過流故障時，直接關斷所有開關管，并通過箝位保護電路為逆變級負載電流提供續(xù)流通道的做法；而是采用一種分步式的控制方法，在檢測到過壓、過流故障后，根據(jù)故障發(fā)生瞬間的變換器開關狀態(tài)，選擇適當?shù)姆绞?，逐步關斷主功率電路的所有開關管，其停機過程的每一步均為逆變級負載電流提供有效的續(xù)流通道。這種方法原理簡單，易于實現(xiàn)，既能實現(xiàn)安全的停機保護，又可免除額外的箝位電路等裝置，降低雙級矩陣變換器系統(tǒng)的硬件成本。
【專利說明】一種分步式雙級矩陣變換器停機保護控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明公開了一種分步式雙級矩陣變換器停機保護控制方法，具體是當雙級式矩陣變換器的主功率電路發(fā)生過壓、過流故障后的一種停機保護控制方法，涉及電力電子【技術領域】。
【背景技術】
[0002]雙級式矩陣變換器(Two-Stage Matrix Converter, TSMC)是繼傳統(tǒng)矩陣變換器后，獲得國內(nèi)外學者廣泛關注和研究的一種新型變換器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、開關損耗低、功率密度高等顯著優(yōu)點。
[0003]在實驗調(diào)試和實際應用中，電路過壓和過流是威脅變換器安全的重要因素之一。在傳統(tǒng)逆變器中，當控制器檢測到電路過壓和過流情況時，一般采用立即停機的保護策略，即直接關斷所有開關器件，使電流通過二極管等器件續(xù)流，可保護主功率器件不受損害；而在雙級式矩陣變換器中，由于沒有自然的續(xù)流通路，直接關斷所有開關管存在電流無法續(xù)流而感生出電壓尖峰的危險，因此通常在主功率電路中增加箝位保護電路，當主功率電路發(fā)生過壓和過流故障時，仍然可以直接關斷所有開關器件，電路電流則從箝位保護電路進行續(xù)流。
[0004]不論何種形式的箝位保護電路，都降低了 TSMC主功率電路原有的簡潔性，增加了硬件成本，不利于TSMC的推廣應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是:針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種分步式雙級矩陣變換器停機保護控制方法，該方法考慮到設置電壓、電流保護門限時，留有一定的安全裕量，即發(fā)生過壓、過流故障時，開關器件并未損壞。若通過一定的方式，在發(fā)生故障時為逆變級負載電流構(gòu)造續(xù)流回路，待電流降為零后，再關斷全部開關器件，在實現(xiàn)安全停機保護的前提下，又免除了箝位吸收電路。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
[0007]—種分步式雙級矩陣變換器停機保護控制方法，控制器在接收到過壓、過流故障信號時，對當前時刻變換器的開關狀態(tài)進行如下判斷:
[0008]若逆變級處于開通狀態(tài)的上管數(shù)量少于或等于處于開通狀態(tài)的下管數(shù)量，則采用關斷逆變級橋臂上管、開通逆變級橋臂下管的續(xù)流方式實現(xiàn)停機保護；
[0009]若逆變級處于開通狀態(tài)的上管數(shù)量多于處于開通狀態(tài)的下管數(shù)量，則采用關斷逆變級橋臂下管、開通逆變級橋臂上管的續(xù)流方式實現(xiàn)停機保護。
[0010]進一步的，所述關斷逆變級橋臂上管、開通逆變級橋臂下管的續(xù)流方式，其具體過程如下:
[0011]步驟一:在h時刻關斷處于開通狀態(tài)的逆變級橋臂上管，保持整流級開關狀態(tài)不變，并在Λ 時間內(nèi)維持該狀態(tài)，直至時刻；[0012]其中，t(l為控制器接收到過壓、過流故障信號的時刻，h為開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂下管的時刻，，且At1大于開關管的關斷延遲時間；
[0013]步驟二:在tl時刻開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂下管，保持整流級開關狀態(tài)不變，并在Λ t2時間內(nèi)維持該狀態(tài)，直至t2時刻；
[0014]其中，丨2為關斷整流級的所有開關管的時刻，八妒卜^且At2大于開關管的開通延遲時間；
[0015]步驟三:在t2時刻關斷整流級的所有開關管，維持該狀態(tài)至逆變級電流衰減為零的t3時刻；
[0016]步驟四:在t3時刻關斷逆變級所有橋臂的下管。
[0017]進一步的，所述關斷逆變級橋臂下管、開通逆變級橋臂上管的續(xù)流方式，其具體過程如下:
[0018]步驟A:在h時刻關斷處于開通狀態(tài)的逆變級橋臂下管，保持整流級開關狀態(tài)不變，并在Λ h時間內(nèi)維持該狀態(tài)，直至h時刻；
[0019]其中，t(l為控制器接收到過壓、過流故障信號的時刻，h為開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂下管的時刻，，且At1大于開關管的關斷延遲時間；
[0020]步驟B:在h時刻開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂上管，保持整流級開關狀態(tài)不變，并在Λ t2時間內(nèi)維持該狀態(tài)，直至t2時刻；
[0021]其中，12為關斷整流級的所有開關管的時刻，八&4241，且At2大于開關管的開通延遲時間；
[0022]步驟C:在t2時刻關斷整流級的所有開關管，維持該狀態(tài)至逆變級電流衰減為零的t3時刻；
[0023]步驟D:在t3時刻關斷逆變級所有橋臂的上管。
[0024]本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果:既能有效保護主功率電路，又可免除額外的箝位吸收電路，具有重要的應用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是TSMC的拓撲結(jié)構(gòu)。
[0026]圖2是分步式停機控制策略的控制流程圖。
[0027]圖3是分步式停機控制策略的控制信號時序圖。
[0028]圖4 (a)是iv>0時，下管續(xù)流方式第一步的逆變級電流續(xù)流通道示例。
[0029]圖4 (b)是i/Ο時，下管續(xù)流方式第一步的逆變級電流續(xù)流通道示例。
[0030]圖5 (a)是iu>0時，上管續(xù)流方式第一步的逆變級電流續(xù)流通道示例。
[0031]圖5 (b)是i/Ο時，上管續(xù)流方式第一步的逆變級電流續(xù)流通道示例。
[0032]圖6 (a)下管續(xù)流方式時，第二步的逆變級電流續(xù)流通道示例。
[0033]圖6 (b)上管續(xù)流方式時，第二步的逆變級電流續(xù)流通道示例。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明:
[0035]雙級式矩陣變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，整流級為雙向開關，逆變級為單向開關，輸入端和輸出端分別接至電源和負載，并接入LC濾波器，逆變級U、V和W相的上、下管及其反并聯(lián)二極管分別為 [0036]Dv+、Dv_、Gw+、Gw_、Dw+和Dw_。TSMC正常運行時的調(diào)制方法和控制技術已有大量文獻研究和介紹，此處不再贅述。
[0037]本發(fā)明所提出的分步式停機保護控制策略流程圖如圖2所示，相關控制邏輯可通過CPLD或FPGA等可編程邏輯芯片實現(xiàn)。設i裔為低有效的故障指示信號，低電平時表示電路發(fā)生了過壓或過流故障，而Sp S2, S3和S4則分別是停機過程四個步驟的指令信號，Sx(x=l,2, 3,4)的上升沿觸發(fā)停機過程的第X步。相關控制邏輯信號時序關系如圖3所示。
[0038]在h時刻之前，TSMC系統(tǒng)處于無故障的正常運行狀態(tài)，HS為高電平，Sp S2、S3和S4則均為低電平，控制器完成正常的驅(qū)動控制。
[0039]在h時刻檢測到過壓、過流故障，萬沒立即跳變?yōu)榈碗娖剑刂破鲉臃植绞酵C過程。
[0040]首先，需要根據(jù)矩陣變換器在h時刻的開關狀態(tài)，選擇合理的續(xù)流通道。對于整流級而言，由于采用了無零矢量調(diào)制方式，因此任意時刻整流級均可視為某一線電壓Uin通過兩個導通的雙向開關管連接到直流母線，其余開關管均關斷，具體哪一個線電壓連接至直流母線對于構(gòu)造續(xù)流通道來說并無差別。對于逆變級而言，其每相橋臂均有三種可能的狀態(tài)，即狀態(tài)1:上管開通、下管關斷，狀態(tài)I1:上管關斷、下管開通，狀態(tài)II1:上管、下管均關斷的死區(qū)狀態(tài)——三相橋臂共有33=27種可能的開關狀態(tài)組合。在為逆變級構(gòu)造續(xù)流通道時，有兩種選擇:即上管續(xù)流方式(逆變級三相橋臂上管均開通、下管均關斷)和下管續(xù)流方式(逆變級三相橋臂上管均關斷、下管均開通)。設h時刻處于狀態(tài)I的橋臂數(shù)量為N1,處于狀態(tài)II的橋臂數(shù)量為Νπ，為減少停機過程中開關切換的次數(shù)，本發(fā)明選擇續(xù)流方式時遵循“就近原則”: [ ,即處于開通狀態(tài)的上管較多時，選擇上管續(xù)流方式；
[0043]下面就兩種續(xù)流方式的停機過程和續(xù)流原理作詳細闡釋。
[0044]一、下管續(xù)流方式
[0045]步驟I Atl時刻S1跳變形成上升沿，觸發(fā)TSMC的控制器開始第一步動作，整流級開關狀態(tài)保持不變，關斷處于開通狀態(tài)的逆變級橋臂上管。不妨設此時開關管Gu+被關斷，則U相電流ipo時，iu通過二極管Du-續(xù)流,如圖4 (a)所示;?υ<0時，k通過二極管Du+續(xù)流，如圖4(b)所示。其它開關狀態(tài)未發(fā)生變化的橋臂，其電流流通方式也不發(fā)生變化。
[0046]步驟2 時刻S2跳變生成上升沿，觸發(fā)TSMC的控制器開始第二步動作，整流級開關狀態(tài)仍保持不變，開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂下管。此時逆變級三相電流可通過Gu^ Du^ Gv_、Dv_、Gw_和Dw_實現(xiàn)相間續(xù)流，直流母線電流降為零，整流級開關管的零電流關斷創(chuàng)造了條件，續(xù)流通道如圖6(a)所示。
[0047]步驟3:t2時刻S3跳變生成上升沿，觸發(fā)TSMC的控制器開始第三步動作，由于上一步確保了直流母線電流為零，因此可直接關斷整流級的所有開關管。這時負載電流仍通過逆變級電路自行續(xù)流并逐漸衰減。
[0048]步驟4:當檢測到負載電流衰減至零后，t3時刻S4跳變生成上升沿，觸發(fā)TSMC的控制器開始第四步動作，將逆變級所有的橋臂下管也全部關斷。至此完成整個停機過程。
[0049]二、上管續(xù)流方式
[0050]步驟I 時刻S1跳變形成上升沿，觸發(fā)TSMC的控制器開始第一步動作，整流級開關狀態(tài)保持不變，關斷處于開通狀態(tài)的逆變級橋臂下管。不妨設此時開關管Gif被關斷，則iu>0時，Iu通過二極管Dif續(xù)流，如圖5 (a)所示d/O時，Iu通過二極管Du+續(xù)流，如圖5 (b)所示。其它開關狀態(tài)未發(fā)生變化的橋臂，其電流流通方式也不發(fā)生變化。
[0051]步驟2 時刻S2跳變生成上升沿，觸發(fā)TSMC的控制器開始第二步動作，整流級開關狀態(tài)仍保持不變，開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂上管。此時逆變級三相電流可通過Gu+、Du+、Gv+、Dv+、Gw+和Dw+實現(xiàn)相間續(xù)流，直流母線電流降為零，整流級開關管的零電流關斷創(chuàng)造了條件，續(xù)流通道如圖6(b)所示。
[0052]步驟3:t2時刻S3跳變生成上升沿，觸發(fā)TSMC的控制器開始第三步動作，由于上一步確保了直流母線電流為零，因此可直接關斷整流級的所有開關管。這時負載電流仍通過逆變級電路自行續(xù)流并逐漸衰減。
[0053]步驟4:當檢測到負載電流衰減至零后，t3時刻S4跳變生成上升沿，觸發(fā)TSMC的控制器開始第四步動作，將逆變級所有的橋臂上管也全部關斷。至此完成整個停機過程。
[0054]兩種續(xù)流方式下的時序信號完全一致，其中S2的上升沿滯后于S1的時間為At1,At1應略大于開關器件的關斷延遲時間，以保證有效關斷；S3的上升沿滯后于S2的時間為At2, At2應略大于開關器件的開通延遲時間，以保證有效開通；S4的上升沿滯后于S3的時間為At3, At3取決于逆變級電流衰減至零的時間。
[0055]本發(fā)明采用上述分步式策略實現(xiàn)過壓、過流故障的停機保護控制，具有如下特征:
[0056]1.第一步關斷相應開關管后，負載電流通過逆變級仍開通的開關管、反并聯(lián)二極管和整流級仍開通的開關管進行續(xù)流，并可向輸入電源回饋一部分能量。
[0057]2.第二步開通相應開關管后，逆變級為零矢量狀態(tài)，負載電流完全通過逆變級的開關管和反并聯(lián)二極管續(xù)流，直流母線中電流為零，為整流級開關管的關斷創(chuàng)造了條件。
[0058]3.第三步整流級開關管是安全的零電流關斷。
[0059]4.第一步和第二步分兩種情況進行，使停機過程開關狀態(tài)切換的數(shù)量最少。
[0060]5.間隔時間At1Artci的長度應略大于開關管的關斷延遲時間，
度應略大于開關管的開通延遲時間，根據(jù)器件性能的不同，At1和At2可在數(shù)百納秒至數(shù)微秒之間取值；間隔時間At3=t3_t2的長度則由實際負載電流衰減至零的時間決定。
[0061]由上可知，停機過程中TSMC可保證負載電流的有效續(xù)流，并實現(xiàn)整流級開關管的安全零電流關斷，且不需要額外的硬件續(xù)流回路，從而可免除傳統(tǒng)控制方式下所需的箝位保護電路。
【權利要求】
1.一種分步式雙級矩陣變換器停機保護控制方法，其特征在于，控制器在接收到過壓、過流故障信號時，對當前時刻變換器的開關狀態(tài)進行如下判斷: 若逆變級處于開通狀態(tài)的上管數(shù)量少于或等于處于開通狀態(tài)的下管數(shù)量，則采用關斷逆變級橋臂上管、開通逆變級橋臂下管的續(xù)流方式實現(xiàn)停機保護； 若逆變級處于開通狀態(tài)的上管數(shù)量多于處于開通狀態(tài)的下管數(shù)量，則采用關斷逆變級橋臂下管、開通逆變級橋臂上管的續(xù)流方式實現(xiàn)停機保護。
2.如權利要求1所述的一種分步式雙級矩陣變換器停機保護控制方法，其特征在于:所述關斷逆變級橋臂上管、開通逆變級橋臂下管的續(xù)流方式，其具體過程如下: 步驟一:在h時刻關斷處于開通狀態(tài)的逆變級橋臂上管，保持整流級開關狀態(tài)不變，并在At1時間內(nèi)維持該狀態(tài)，直至h時刻； 其中，h為控制器接收到過壓、過流故障信號的時刻，h為開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂下管的時刻，At1Ztrtci，且At1大于開關管的關斷延遲時間； 步驟二:在h時刻開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂下管，保持整流級開關狀態(tài)不變，并在At2時間內(nèi)維持該狀態(tài)，直至t2時刻； 其中，〖2為關斷整流級的所有開關管的時刻，八〖24241，且At2大于開關管的開通延遲時間； 步驟三:在t2時刻關斷整流級的 所有開關管，維持該狀態(tài)至逆變級電流衰減為零的t3時刻； 步驟四:在t3時刻關斷逆變級所有橋臂的下管。
3.如權利要求1所述的一種分步式雙級矩陣變換器停機保護控制方法，其特征在于:所述關斷逆變級橋臂下管、開通逆變級橋臂上管的續(xù)流方式，其具體過程如下: 步驟A:在h時刻關斷處于開通狀態(tài)的逆變級橋臂下管，保持整流級開關狀態(tài)不變，并在At1時間內(nèi)維持該狀態(tài)，直至h時刻； 其中，h為控制器接收到過壓、過流故障信號的時刻，h為開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂下管的時刻，At1Ztrtci，且At1大于開關管的關斷延遲時間； 步驟B:在h時刻開通處于關斷狀態(tài)的逆變級橋臂上管，保持整流級開關狀態(tài)不變，并在At2時間內(nèi)維持該狀態(tài)，直至t2時刻； 其中，〖2為關斷整流級的所有開關管的時刻，八〖24241，且At2大于開關管的開通延遲時間； 步驟C:在t2時刻關斷整流級的所有開關管，維持該狀態(tài)至逆變級電流衰減為零的t3時刻； 步驟D:在t3時刻關斷逆變級所有橋臂的上管。
【文檔編號】H02H7/10GK103474962SQ201310393858
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權日:2013年9月2日
【發(fā)明者】秦顯慧, 周波, 黃海濤, 劉曉宇, 雷家興 申請人:南京航空航天大學