本發(fā)明涉及電子電力變換器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種確定H橋模塊的安全工作區(qū)和級(jí)聯(lián)型多電平變換器的系統(tǒng)安全工作區(qū)的方法。

背景技術(shù)：

級(jí)聯(lián)型多電平變換器以其模塊化、可擴(kuò)展和便于冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)在大功率場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。在級(jí)聯(lián)型多電平變換器的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)安全工作區(qū)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和器件選型的基礎(chǔ)。根據(jù)特定型號(hào)器件可以計(jì)算單個(gè)模塊的安全工作范圍，在安全工作區(qū)允許的條件下，可以按照變換器的容量和電壓等級(jí)選擇器件電壓電流、模塊數(shù)和各個(gè)模塊的額定工作點(diǎn)，得到最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，使系統(tǒng)成本和體積盡量小。模塊工作時(shí)的保護(hù)閾值根據(jù)系統(tǒng)安全工作區(qū)及運(yùn)行區(qū)來設(shè)置，保證系統(tǒng)的安全和可靠性。如果計(jì)算得到的系統(tǒng)安全工作區(qū)比實(shí)際變換器可安全運(yùn)行的最大區(qū)域范圍大，則按照此系統(tǒng)安全工作區(qū)設(shè)計(jì)的變換器有發(fā)生故障和失效的風(fēng)險(xiǎn)，可靠性不足；如果計(jì)算得到的系統(tǒng)安全工作區(qū)比實(shí)際變換器可安全運(yùn)行的最大區(qū)域范圍小，則失去提高器件的利用率的優(yōu)勢(shì)，按照此系統(tǒng)安全工作區(qū)設(shè)計(jì)模塊化多電平級(jí)聯(lián)變換器會(huì)使得模塊數(shù)增多，或者單個(gè)模塊需要選擇更大容量的器件，導(dǎo)致模塊化多電平級(jí)聯(lián)變換器成本急劇上升，體積過大，占地增加，甚至在運(yùn)行過程中頻繁觸發(fā)保護(hù)。因此，能否準(zhǔn)確地界定系統(tǒng)安全工作區(qū)尤為重要。

而傳統(tǒng)的余量設(shè)計(jì)方法，把功率半導(dǎo)體器件(一般為IGBT器件)本身的安全工作區(qū)等同于系統(tǒng)的安全工作區(qū)，而在選擇器件時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將變換器工作的電壓電流放大一定余量，得到所需用器件的額定電壓電流。這種方法為了保證器件和裝置的可靠性，往往選擇過大的余量，降低了器件利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，傳統(tǒng)的余量設(shè)計(jì)法的器件利用率低。

為此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種確定H橋模塊的安全工作區(qū)的方法，所述H橋模塊包括開關(guān)器件、二極管和電容，且將所述電容兩端的電壓和流過所述電容的電流定義為所述H橋模塊的工作點(diǎn)，所述方法包括：獲取所述開關(guān)器件、二極管和電容的特征參數(shù)；獲取所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件，所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件是所述開關(guān)器件的電流和電壓與所述開關(guān)器件在預(yù)設(shè)結(jié)溫時(shí)允許的最大電流、最大電壓之間的關(guān)系；根據(jù)所述開關(guān)器件、電容和二極管的特征參數(shù)，以及所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件獲取所述H橋模塊的工作點(diǎn)與所述開關(guān)器件在所述預(yù)設(shè)結(jié)溫時(shí)允許的最大電流、最大電壓之間的關(guān)系，即所述開關(guān)器件的模塊安全工作區(qū)；獲取所述二極管的模塊安全工作區(qū)；根據(jù)所述開關(guān)器件的模塊安全工作區(qū)和所述二極管的模塊安全工作區(qū)的交集獲取所述H橋模塊的安全工作區(qū)。

可選的，所述開關(guān)器件、二極管和電容的特征參數(shù)包括：所述電容的電流上升率，所述電容的電壓上升率，所述開關(guān)器件在其響應(yīng)所述H橋模塊的故障而關(guān)斷的過程中的電流上升率，所述電容的雜散電感，所述開關(guān)器件內(nèi)部的雜散電感，所述開關(guān)器件在短路過程中的電壓平均值與所述電容的電壓平均值的比值，所述二極管反向恢復(fù)所允許的最大工作電流。

可選的，所述電容的電流上升率當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生軟斷路故障時(shí)，是：

其中，i_DC是流過所述電容的電流，是所述電容的電流上升率，v_DC是所述電容兩端的電壓，L_σ是所述開關(guān)器件的雜散電感，L_ls是串聯(lián)于所述H橋橋臂的電感，L_DC為所述電容的雜散電感；

當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生硬斷路故障時(shí)，是：

其中，L_SC為所述H橋模塊輸出端短路電感，n_SC為所述開關(guān)器件在短路過程中的電壓平均值與所述電容的電壓平均值的比值；

所述電容的電壓上升率當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生軟斷路或硬斷路故障時(shí)，是：

其中，是所述電容的電壓上升率；

所述開關(guān)器件在其響應(yīng)所述H橋模塊的軟斷路或硬短路故障而關(guān)斷的過程中的電流上升率是：

其中，i_C是所述開關(guān)器件的電流，是所述開關(guān)器件在關(guān)斷過程中的電流上升率，t_f是所述開關(guān)器件在關(guān)斷過程中的電流下降時(shí)間，t+Δt是所述開關(guān)器件關(guān)斷的時(shí)刻。

可選的，所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件是：

其中，v_CE是所述開關(guān)器件的電壓，I_lim(T_j)是所述開關(guān)器件在結(jié)溫為T_j時(shí)允許的最大電流，U_lim(T_j)是所述開關(guān)器件在結(jié)溫為T_j時(shí)允許的最大電壓。

可選的，所述根據(jù)所述開關(guān)器件、電容和二極管的特征參數(shù)，以及所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件獲取所述H橋模塊的工作點(diǎn)與所述開關(guān)器件在所述預(yù)設(shè)結(jié)溫時(shí)允許的最大電流、最大電壓之間的關(guān)系包括：

將由所述式(5)表示的開關(guān)器件的安全工作邊界條件變換為：

將所述電容的電流上升率所述電容的電壓上升率所述開關(guān)器件在關(guān)斷的過程中的電流上升率代入式(3)和(4)中，當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生的故障是軟短路時(shí)，得到：

其中，將式(6)中的I_lim(T_j)替換為開關(guān)器件的反偏安全工作區(qū)限制的電流I_{lim_RB}(T_j)；

將式(8)寫成矩陣形式

其中系數(shù)矩陣A_RB為

當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生的故障是硬短路時(shí)，得到：

其中，將式(6)中的I_lim(T_j)替換為開關(guān)器件的短路安全工作區(qū)限制的電流I_{lim_SC}(T_j)；

將式(11)寫成矩陣形式

其中系數(shù)矩陣A_SC為

可選的，所述二極管的模塊安全工作區(qū)為；

其中I_{lim_RR}(T_j)是所述二極管反向恢復(fù)允許的最大工作電流，系數(shù)矩陣A_RR為

A_RR＝(1 k_RR(T_j)) (15)

其中k_RR是表示最大工作電流下降的電壓系數(shù)。

可選的，所述開關(guān)器件包括IGBT器件。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種確定級(jí)聯(lián)型多電平變換器的系統(tǒng)安全工作區(qū)的方法，所述級(jí)聯(lián)型多電平變換器的輸出端由m個(gè)H橋模塊交流輸出端串聯(lián)構(gòu)成，其中m>2，且將所述級(jí)聯(lián)型多電平變換器輸出端的交流電壓有效值V_N和輸出端的交流電流有效值I_N定義為所述級(jí)聯(lián)型多電平變換器的工作點(diǎn)，其特征在于，包括：

分別根據(jù)上述任一種確定H橋模塊的安全工作區(qū)的方法獲取每個(gè)H橋模塊的安全工作區(qū)[v_DC(t),i_DC(t)]；

則所述級(jí)聯(lián)型多電平變換器的系統(tǒng)安全工作區(qū)[I_N,V_N]為

其中，k₁為所述H橋模塊的諧波系數(shù)，k₂為所述級(jí)聯(lián)型多電平變換器的起動(dòng)電流系數(shù)，k₃為所述H橋模塊電容電壓的波動(dòng)系數(shù)

本發(fā)明實(shí)施例的確定H橋模塊的安全工作區(qū)和級(jí)聯(lián)型多電平變換器的系統(tǒng)安全工作區(qū)的方法，根據(jù)開關(guān)器件在執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作(即關(guān)斷)時(shí)承受的電壓電流不能超過其極限值，從而推導(dǎo)出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)安全工作區(qū)域。

另一方面，通過考慮結(jié)電容、開關(guān)器件短路時(shí)的退飽和過程、以及二極管的方向恢復(fù)極限，可以更精確地對(duì)器件特性進(jìn)行描述，從而更準(zhǔn)確地確定器件在變換器中的安全工作范圍。

附圖說明

通過參考附圖會(huì)更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的確定H橋模塊的安全工作區(qū)的方法的流程圖；

圖2是圖1所示實(shí)施例中采用的H橋模塊的電路圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的確定H橋模塊的安全工作區(qū)的方法而獲得的安全工作區(qū)的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提供的確定H橋模塊的安全工作區(qū)的方法，所述H橋模塊例如如圖2所示，可以包括開關(guān)器件T1-T4、二極管和電容，具體地，該方法可以是H橋模塊中開關(guān)器件在執(zhí)行故障保護(hù)(即關(guān)斷)時(shí)限制的安全工作區(qū)，將所述電容兩端的電壓和流過所述電容的電流定義為所述H橋模塊的工作點(diǎn)，所述方法包括：

S1.獲取所述開關(guān)器件、二極管和電容的特征參數(shù)；具體地，特征參數(shù)包括：所述電容的電流上升率，所述電容的電壓上升率，所述開關(guān)器件在其響應(yīng)所述H橋模塊的故障而關(guān)斷的過程中的電流上升率，所述電容的雜散電感，所述開關(guān)器件內(nèi)部的雜散電感，所述開關(guān)器件在短路過程中的電壓平均值與所述電容的電壓平均值的比值，所述二極管反向恢復(fù)所允許的最大工作電流。

S2.獲取所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件，所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件是所述開關(guān)器件的電流和電壓與所述開關(guān)器件在預(yù)設(shè)結(jié)溫時(shí)允許的最大電流、最大電壓之間的關(guān)系。

S3.根據(jù)所述開關(guān)器件、電容和二極管的特征參數(shù)，以及所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件獲取所述H橋模塊的工作點(diǎn)與所述開關(guān)器件在所述預(yù)設(shè)結(jié)溫時(shí)允許的最大電流、最大電壓之間的關(guān)系，即所述開關(guān)器件的模塊安全工作區(qū)。

S4.獲取所述二極管的模塊安全工作區(qū)。

S5.根據(jù)所述開關(guān)器件的模塊安全工作區(qū)和所述二極管的模塊安全工作區(qū)的交集獲取所述H橋模塊的安全工作區(qū)。

本發(fā)明實(shí)施例的確定H橋模塊的安全工作區(qū)和級(jí)聯(lián)型多電平變換器的系統(tǒng)安全工作區(qū)的方法，根據(jù)開關(guān)器件在執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作(即關(guān)斷)時(shí)承受的電壓電流不能超過其極限值，從而推導(dǎo)出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)安全工作區(qū)域。

可選的，所述電容的電流上升率當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生軟斷路故障時(shí)，是：

其中，i_DC是流過所述電容的電流，是所述電容的電流上升率，v_DC是所述電容兩端的電壓，L_σ是所述開關(guān)器件的雜散電感，L_ls是串聯(lián)于所述H橋橋臂的電感，L_DC為所述電容的雜散電感；

當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生硬斷路故障時(shí)，是：

其中，L_SC為所述H橋模塊輸出端短路電感，n_SC為所述開關(guān)器件在短路過程中的電壓平均值與所述電容的電壓平均值的比值；

所述電容的電壓上升率當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生軟斷路或硬斷路故障時(shí)，是：

其中，是所述電容的電壓上升率；

所述開關(guān)器件在其響應(yīng)所述H橋模塊的軟斷路或硬短路故障而關(guān)斷的過程中的電流上升率是：

其中，i_C是所述開關(guān)器件的電流，是所述開關(guān)器件在關(guān)斷過程中的電流上升率，t_f是所述開關(guān)器件在關(guān)斷過程中的電流下降時(shí)間，t+Δt是所述開關(guān)器件關(guān)斷的時(shí)刻。

所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件是：

其中，v_CE是所述開關(guān)器件的電壓，I_lim(T_j)是所述開關(guān)器件在結(jié)溫為T_j時(shí)允許的最大電流，U_lim(T_j)是所述開關(guān)器件在結(jié)溫為T_j時(shí)允許的最大電壓。

可選的，所述根據(jù)所述開關(guān)器件、電容和二極管的特征參數(shù)，以及所述開關(guān)器件的安全工作邊界條件獲取所述H橋模塊的工作點(diǎn)與所述開關(guān)器件在所述預(yù)設(shè)結(jié)溫時(shí)允許的最大電流、最大電壓之間的關(guān)系包括：

將由所述式(5)表示的開關(guān)器件的安全工作邊界條件變換為：

將所述電容的電流上升率所述電容的電壓上升率所述開關(guān)器件在關(guān)斷的過程中的電流上升率代入式(3)和(4)中，當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生的故障是軟短路時(shí)，得到：

其中，將式(6)中的I_lim(T_j)替換為開關(guān)器件的反偏安全工作區(qū)限制的電流I_{lim_RB}(T_j)；

將式(8)寫成矩陣形式

其中系數(shù)矩陣A_RB為

當(dāng)所述H橋模塊發(fā)生的故障是硬短路時(shí)，得到：

其中，將式(6)中的I_lim(T_j)替換為開關(guān)器件的短路安全工作區(qū)限制的電流I_{lim_SC}(T_j)；

將式(11)寫成矩陣形式

其中系數(shù)矩陣A_SC為

可選的，所述二極管的模塊安全工作區(qū)為；

其中I_{lim_RR}(T_j)是所述二極管反向恢復(fù)允許的最大工作電流，系數(shù)矩陣A_RR為

A_RR＝(1 k_RR(T_j)) (15)

其中k_RR表示最大工作電流下降的電壓系數(shù)。

可選的，所述開關(guān)器件包括IGBT器件。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種確定級(jí)聯(lián)型多電平變換器的系統(tǒng)安全工作區(qū)的方法，所述級(jí)聯(lián)型多電平變換器的輸出端由各H橋模塊交流輸出端串聯(lián)構(gòu)成，且將所述級(jí)聯(lián)型多電平變換器輸出端的交流電壓有效值V_N和輸出端的交流電流有效值I_N定義為所述級(jí)聯(lián)型多電平變換器的工作點(diǎn)，包括：

分別上述任一種確定H橋模塊的安全工作區(qū)的方法獲取每個(gè)H橋模塊的安全工作區(qū)；

考慮運(yùn)行中模塊電容電壓波動(dòng)，啟動(dòng)電流和電流諧波，假設(shè)級(jí)聯(lián)多電平變換器每一相包括m個(gè)H橋模塊(m>2)，認(rèn)為級(jí)聯(lián)型多電平變換器輸出端的交流電流有效值I_N和輸出端的交流電壓有效值V_N與H橋模塊最大電壓和最大電流有如下關(guān)系

其中，k₁為所述H橋模塊的諧波系數(shù)，k₂為所述級(jí)聯(lián)型多電平變換器的起動(dòng)電流系數(shù)，k₃為所述H橋模塊電容電壓的波動(dòng)系數(shù)，均由級(jí)聯(lián)型多電平變換器的控制參數(shù)決定。

以下通過一個(gè)具體的計(jì)算安全工作區(qū)的例子，詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例。

當(dāng)器件執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作時(shí)承受的電應(yīng)力在其安全工作區(qū)邊界上時(shí)，對(duì)應(yīng)的H橋模塊運(yùn)行狀態(tài)采樣值就是系統(tǒng)安全工作區(qū)的邊界。以H橋模塊執(zhí)行一次保護(hù)動(dòng)作的過程，來分析系統(tǒng)安全工作區(qū)與系統(tǒng)元素間的定量關(guān)系。

1.確定H橋模塊中IGBT器件在執(zhí)行故障保護(hù)時(shí)限制的安全工作區(qū)。

當(dāng)器件執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作時(shí)承受的電應(yīng)力在其安全工作區(qū)邊界上時(shí)，對(duì)應(yīng)的H橋模塊運(yùn)行狀態(tài)采樣值就是系統(tǒng)安全工作區(qū)的邊界。以H橋模塊執(zhí)行一次保護(hù)動(dòng)作的過程，來分析系統(tǒng)安全工作區(qū)與系統(tǒng)元素間的定量關(guān)系。

對(duì)IGBT，考慮對(duì)H橋模塊輸出能力要求最高的兩種情況：軟短路與硬短路。對(duì)二極管，考慮其發(fā)生反向恢復(fù)最惡劣的工況：二極管在負(fù)載電流達(dá)到峰值時(shí)關(guān)斷。

1.1計(jì)算H橋模塊IGBT器件在執(zhí)行故障保護(hù)時(shí)電壓電流的表達(dá)式

定義H橋模塊的工作點(diǎn)為[v_DC(t),i_DC(t)]，代表了模塊電容兩端電壓和流過電容的電流，電容電壓可以被直接測(cè)量出來，而電容電流可以被間接的測(cè)量出來。采樣電路在t時(shí)刻對(duì)直流母線電壓v_DC、電流i_DC進(jìn)行采樣并發(fā)現(xiàn)故障，經(jīng)過控制延遲Δt時(shí)間后，器件在t+Δt時(shí)刻執(zhí)行關(guān)斷動(dòng)作。

t+Δt時(shí)刻IGBT器件兩端電壓v_CE(t+Δt)與i_C(t+Δt)不能夠超出其極限工作范圍，因此有

目標(biāo)是用(5)式的邊界條件，得到H橋模塊的工作點(diǎn)[v_DC(t),i_DC(t)]和I_lim(T_j)和U_lim(T_j)之間的關(guān)系，也就是系統(tǒng)安全工作區(qū)的邊界。

因此下面步驟都是在推導(dǎo)H橋模塊的工作點(diǎn)為[v_DC(t),i_DC(t)]和t+Δt時(shí)刻IGBT器件兩端電壓v_CE(t+Δt)與i_C(t+Δt)之間的關(guān)系。

t+Δt時(shí)刻IGBT器件兩端電壓v_CE(t+Δt)與i_C(t+Δt)與工作點(diǎn)[v_DC(t+Δt)，i_DC(t+Δt)]的關(guān)系為

i_C(t+Δt)＝i_DC(t+Δt) (16)

其中L_DC為開關(guān)回路雜散電感。

[v_DC(t+Δt)，i_DC(t+Δt)]和[v_DC(t),i_DC(t)]有如下關(guān)系

把(18)(19)代入(16)(17)，消去[v_DC(t+Δt)，i_DC(t+Δt)]，再根據(jù)(5)，有

接下來需要知道(6)(7)中這三個(gè)量與[v_DC(t),i_DC(t)]的關(guān)系。

1.2確定H橋模塊輸出端軟短路和硬短路時(shí)的電流上升率

首先假定級(jí)聯(lián)H橋橋臂通過純感性負(fù)載發(fā)生短路，H橋模塊的左橋臂上管和右橋臂下管導(dǎo)通，對(duì)負(fù)載電感充電，基爾霍夫電壓定律可知電流上升率為

假定級(jí)聯(lián)H橋橋臂輸出端發(fā)生硬短路，左橋臂上管和右橋臂下管直接導(dǎo)通，短路電感為L(zhǎng)_SC，考慮器件在硬短路條件下發(fā)生退飽和，由基爾霍夫電壓定律可知電流上升率為

具體地，硬短路過程中如果器件電流較高，則IGBT器件退飽和，器件兩端產(chǎn)生一定壓降，反過來限制短路電感上的電流上升率，限制實(shí)際關(guān)斷時(shí)刻的電流。為了避免引入電壓和電流的交叉耦合項(xiàng)，認(rèn)為器件電流在上升到短路安全工作區(qū)邊界的這一段延遲時(shí)間中，器件平均電壓為直流母線電壓的n_SC倍(n_SC≤1)。n_SC值由退飽和實(shí)驗(yàn)結(jié)果估計(jì)和校準(zhǔn)。

1.3確定H橋模塊輸出端軟短路和硬短路故障時(shí)限制的安全工作區(qū)對(duì)IGBT在關(guān)斷過程中電流的上升率作近似線性化處理，可以近似為

其中t_f為器件關(guān)斷過程中的電流下降時(shí)間。

由于H橋模塊直流母線電壓的泵升速度十分緩慢，近似等于0。

軟短路條件下，(5)中的I_lim(T_j)取成是IGBT器件的反偏安全工作區(qū)限制的電流I_{lim_RB}(T_j)

將(1)(4)和(3)代入(6)和(7)，得到

寫成矩陣形式得到軟短路確定的系統(tǒng)安全工作區(qū)為

其中I_{lim_RB}(T_j)是IGBT器件的反偏安全工作區(qū)限制的電流，U_lim(T_j)是器件能夠承受的極限電壓，系數(shù)矩陣A_RB

硬短路條件下，(5)中的I_lim(T_j)取成是IGBT器件的短路安全工作區(qū)限制的電流I_{lim_SC}(T_j)

將(2)(4)和(3)代入(6)和(7)，得到

寫成矩陣形式得到硬短路確定的系統(tǒng)安全工作區(qū)為

其中I_{lim_SC}(T_j)是由IGBT器件的短路安全工作區(qū)限制的電流，系數(shù)矩陣A_SC

2、確定H橋模塊中二極管反向恢復(fù)限制的安全工作區(qū)

二極管反向恢復(fù)發(fā)生在IGBT開通的條件下，但是軟短路和硬短路均只考察了對(duì)IGBT關(guān)斷時(shí)要求最高的情況。對(duì)二極管，其發(fā)生反向恢復(fù)最惡劣的工況發(fā)生在IGBT開通最大負(fù)載電流的時(shí)刻。通常情況下，硬短路和軟短路的條件已經(jīng)能夠使得IGBT在變換器中的運(yùn)行區(qū)距離其器件安全工作區(qū)邊界有一定的距離，二極管的運(yùn)行區(qū)也相應(yīng)地在其反向恢復(fù)安全工作區(qū)之內(nèi)。但實(shí)際電路中由于驅(qū)動(dòng)、雜散參數(shù)等因素造成的IGBT的電流變化率過大，可能出現(xiàn)二極管超過反向恢復(fù)安全工作區(qū)進(jìn)而導(dǎo)致器件失效的現(xiàn)象。這里對(duì)這類情況也進(jìn)行考慮。

假設(shè)二極管反向恢復(fù)在當(dāng)前電路的di/dt之下允許的最大工作電流I_{lim_RR}(T_j)，則有

i_DC(t)≤I_{lim_RR}(T_j) (20)

隨著母線電壓升高，最大工作電流I_{lim_RR}(T_j)會(huì)有所下降，引入系數(shù)k_RR來表征該現(xiàn)象，從而將式(20)修改為(21)的形式。

i_DC(t)+k_RRv_DC(t)≤I_{lim_RR}(T_j) (21)

寫成矩陣形式為：

其中系數(shù)矩陣A_RR

A_RR＝(1 k_RR(T_j)) (15)。

這里針對(duì)已選定的4500V/1800A的IGBT器件用本發(fā)明實(shí)施例的方法計(jì)算其系統(tǒng)安全工作區(qū)以便設(shè)計(jì)運(yùn)行區(qū)域和保護(hù)閾值。

計(jì)算H橋模塊系統(tǒng)安全工作區(qū)的參數(shù)如表1所示。開關(guān)回路雜散電感L_DC可以通過部分單元等效電路(PEEC)法計(jì)算，也可以通過IGBT開關(guān)瞬態(tài)波形估算。器件自身雜散電感L_σ、IGBT反偏安全工作區(qū)最大可關(guān)斷電流I_{lim_RB}、IGBT短路安全工作區(qū)最大可關(guān)斷電流I_{lim_SC}、IGBT耐壓U_lim、關(guān)斷電流下降時(shí)間t_f由器件廠商數(shù)據(jù)手冊(cè)給出，也可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到二極管反向恢復(fù)電流和導(dǎo)通電流的關(guān)系，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)手冊(cè)中二極管的反向恢復(fù)安全工作區(qū)給出的反向恢復(fù)電流與電壓曲線，可得到二極管反向恢復(fù)限制的最大工作電流I_{lim_RR}、二極管反向恢復(fù)電壓系數(shù)k_RR。n_SC值由與硬短路相同條件下的退飽和實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算得到。軟短路電感L_ls和硬短路電感L_SC依據(jù)實(shí)際變換器的工況設(shè)定。控制延遲Δt為采樣電路延遲時(shí)間和器件關(guān)斷延遲時(shí)間之和。

表1 H橋模塊系統(tǒng)安全工作區(qū)計(jì)算參數(shù)

計(jì)算得到的H橋模塊的系統(tǒng)安全工作區(qū)如圖3所示，圖中SSOA條紋部分即為系統(tǒng)安全工作區(qū)，表現(xiàn)為由軟短路、硬短路和二極管反向恢復(fù)三種工況約束區(qū)域的交集，在系統(tǒng)安全工作區(qū)之內(nèi)可以劃定系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域。

在系統(tǒng)安全工作區(qū)中劃定一個(gè)方形區(qū)域作為實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)，并用于設(shè)置保護(hù)閾值。改進(jìn)方法得到的系統(tǒng)安全工作區(qū)中可劃定的最大運(yùn)行范圍為

以35kV，±200Mvar的STATCOM系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)為例，采用使用雙三角接法的級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)，則H橋上電流為1905/2＝953A?？紤]運(yùn)行中模塊電容電壓波動(dòng)，啟動(dòng)電流和電流諧波，模塊的額定電流與級(jí)聯(lián)型多電平變換器輸出端的額定電流相同，為I_N；模塊的輸出交流電壓有效值為V_C，I_N和V_C與H橋模塊最大電壓和最大電流有如下關(guān)系

假設(shè)每一相的模塊數(shù)為m，則級(jí)聯(lián)H橋輸出端的交流電壓有效值V_N和模塊的輸出交流電壓有效值為V_C有如下關(guān)系

V_N＝mV_C (25)

其中，k1為諧波系數(shù)，k2為起動(dòng)電流系數(shù)，k3為電容電壓的波動(dòng)系數(shù)，均由控制參數(shù)決定，取值如表2所示。

表2 電壓電流系數(shù)取值

由此計(jì)算得到使用4500V/1800AIGBT的H橋模塊的最大額定電流和電壓，并選擇模塊數(shù)。依據(jù)模塊輸出的最大交流電壓選擇模塊數(shù)，考慮設(shè)置1～2個(gè)冗余模塊。從而得到整個(gè)系統(tǒng)模塊數(shù)和器件個(gè)數(shù)如表3所示。

表3 本方法計(jì)算得到的STATCOM各相模塊數(shù)及器件個(gè)數(shù)

在上述實(shí)施例中，

1、考慮了IGBT器件短路的退飽和過程，擴(kuò)大了模塊輸出端硬短路限制的安全工作區(qū)范圍。

2、考慮了二極管的反向恢復(fù)極限，保證了二極管工作的可靠性。

3、所得系統(tǒng)安全工作區(qū)用于設(shè)計(jì)時(shí)，能減小系統(tǒng)模塊數(shù)，或降低器件規(guī)格，大大降低系統(tǒng)體積和成本。

4、所得系統(tǒng)安全工作區(qū)得到的保護(hù)閾值，可以避免系統(tǒng)在運(yùn)行過程中頻繁觸發(fā)保護(hù)。

雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求所限定的范圍之內(nèi)。