專利名稱：用于電流輸出型逆變器的三相四線橋保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(hù)電路。
背景技術(shù)：
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(wú) 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(guó)鵬，劉進(jìn)軍.靜止無(wú)功發(fā)生器直流側(cè)電壓對(duì)無(wú)功補(bǔ)償特性的影響研究 [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44 (4) :66-70.)。在無(wú)保護(hù)電路時(shí)，逆變橋上下橋臂換流時(shí)， 由于二極管存在反向恢復(fù)時(shí)間，橋臂在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)處于上下直通狀態(tài)。若此時(shí)直流側(cè)電 壓較高，則將產(chǎn)生很大的瞬時(shí)直通電流，進(jìn)而產(chǎn)生極大的電流變化率和電壓變化率，容易導(dǎo) 致開(kāi)關(guān)器件的誤觸發(fā)或燒毀。雖然有些在工業(yè)中應(yīng)用的電壓輸出型逆變器也存在橋臂直通 問(wèn)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(xiàn)(馬俊興，孫漢卿.IGBT短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2009， 42(11) 235-237.；胡宇，呂征宇.IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試[J].機(jī)電工程，2008， 25(7) =58-60, 71.；邱進(jìn)，陳軒恕，劉飛，等.基于有源電力濾波器的IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)研究 [J].通信電源技術(shù)，2008，25 (5) :4-6.)提出了基于IGBT驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)方案，通過(guò)檢測(cè) 過(guò)電流的大小決定是否關(guān)閉IGBT驅(qū)動(dòng)電路，但這類方法沒(méi)考慮逆變電路正常工作時(shí)由續(xù) 流二極管、另一橋臂開(kāi)關(guān)管和直流側(cè)電壓引起的直通過(guò)電流，易造成逆變電路不能正常工 作。有些保護(hù)電路還通過(guò)在開(kāi)關(guān)管兩側(cè)并聯(lián)高頻電容以降低開(kāi)關(guān)損耗和過(guò)電壓，反而更 增加了二極管反向恢復(fù)時(shí)的過(guò)電流峰值。文獻(xiàn)[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(mén)極換流晶閘管(IGCT)的保護(hù)電路，但并未將其用 于帶有反并聯(lián)二極管的IGBT保護(hù)中。首先基于工作原理和實(shí)驗(yàn)波形，分析功率器件的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性，以及由器件開(kāi)關(guān) 特性引起的直通現(xiàn)象而產(chǎn)生電流尖峰的原因。通過(guò)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(kāi)關(guān)器件可以承受的合理范圍 內(nèi)。1逆變電路產(chǎn)生瞬時(shí)電流尖峰的機(jī)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?fù)?結(jié)構(gòu)。圖1中，Q1和Q2為IGBT開(kāi)關(guān)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(dāng)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都沒(méi) 有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，假定此時(shí)電流流經(jīng)D1，則當(dāng)Q2開(kāi)通時(shí)，電流從D1轉(zhuǎn)移到Q2,當(dāng)D1電流降到零 時(shí)，電感電流已全部轉(zhuǎn)移到Q2。由于二極管D1反向恢復(fù)時(shí)間的存在，此時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)阻抗和線路雜散電感。此 后隨著二極管PN結(jié)電荷勢(shì)壘區(qū)的恢復(fù)，二極管恢復(fù)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(shì)。由于在圖1電路中直流側(cè)電壓很高[趙國(guó)鵬，劉進(jìn)軍.靜止無(wú)功發(fā)生器直流側(cè)電 壓對(duì)無(wú)功補(bǔ)償特性的影響研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44(4) :66-70.]，當(dāng)此種直通 現(xiàn)象發(fā)生時(shí)沖擊電流會(huì)達(dá)到一個(gè)很大的值，從而產(chǎn)生很大的di/dt和du/dt，極易造成開(kāi)關(guān) 器件的誤動(dòng)作而導(dǎo)致器件損壞。圖2a、圖2b為無(wú)保護(hù)電路時(shí)的橋臂電流電壓波形圖2a中，在電流尖峰時(shí)刻前，電流流經(jīng)二極管D2。圖2b中，、時(shí)刻Q2保持關(guān)閉， Q1打開(kāi)，由于IGBT開(kāi)通時(shí)間極短，電流很快由D2轉(zhuǎn)移到Q1，此時(shí)D2由于反向恢復(fù)時(shí)間的關(guān) 系仍然保持為開(kāi)通狀態(tài)，直流側(cè)電壓經(jīng)雜散電感回到開(kāi)通的D2和Q2上，形成很大的直流環(huán) 路直通尖峰電流。t2時(shí)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(shì) 壘區(qū)開(kāi)始恢復(fù)，電流開(kāi)始下降。由于結(jié)電容和雜散電感的關(guān)系，電流振蕩減小，直到二極管 完全恢復(fù)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(hù)電路，它可有效地降低功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的沖擊 尖峰電流、di/dt和du/dt，可防止開(kāi)關(guān)器件出現(xiàn)誤觸發(fā)以有效保護(hù)功率器件。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于電流輸出型逆變器的三相四線橋保護(hù)電路，在每一相上均設(shè)有結(jié)構(gòu)相同 的IGBT橋臂保護(hù)電路，該電路包括一對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)管Ql、Q2，每個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管Ql、Q2反并 聯(lián)一個(gè)二極管Dl、D2 ；在該橋臂輸入端與電感Ll連接；同時(shí)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(yáng)極經(jīng)電阻R與電 容Cl 一端連接。所述電感L取值遠(yuǎn)小于電感Ll取值。所述電容C取值遠(yuǎn)小于電容Cl、電容C2取值。所述電阻R取值應(yīng)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(fù)電流。本發(fā)明的有益效果是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可有效地降低功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)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(hù)功率器件。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明 了該橋臂保護(hù)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(wú)保護(hù)電路時(shí)的電流尖峰圖；圖2b為無(wú)保護(hù)電路時(shí)的電流尖峰圖；圖3為本發(fā)明中與一相連接的IGBT保護(hù)電路示意圖；圖4a為本發(fā)明的保護(hù)試驗(yàn)波形；
圖4b為本發(fā)明的保護(hù)試驗(yàn)波形。
具體實(shí)施例方式下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。在圖1所示的三相四線開(kāi)關(guān)電路中，每一相都可以單獨(dú)控制其開(kāi)關(guān)過(guò)程和輸出電 流，本發(fā)明提出的IGBT橋臂保護(hù)電路拓?fù)淙鐖D3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(hù)電路， 在取值上電感L遠(yuǎn)小于電感L1,電容C遠(yuǎn)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(fù)電流。若原電流為Q2開(kāi)通時(shí)電流流經(jīng)Q2,D3保持關(guān)斷狀態(tài)，Q2上的電壓為零。當(dāng)Q2關(guān)斷 時(shí)，電流轉(zhuǎn)移到D1上，并經(jīng)D3對(duì)電容C進(jìn)行充電。此時(shí)由于沒(méi)有二極管處于反向恢復(fù)狀態(tài)， 因此在電路中不會(huì)出現(xiàn)明顯的橋臂直通現(xiàn)象，沒(méi)有大的沖擊電流出現(xiàn)，此種運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電 路影響不大，可以忽略其造成的影響。若原電流為Q2開(kāi)通時(shí)電流流經(jīng)D2, D3保持關(guān)斷狀態(tài)，Q2上的電壓為零。當(dāng)Q2關(guān)斷 時(shí)，電流繼續(xù)流經(jīng)D2, Q2上的電壓仍為零。當(dāng)Q1開(kāi)通時(shí)，電流由D2轉(zhuǎn)移到Q1,此時(shí)橋臂處于 短路狀態(tài)，電壓U直接加到電感L上，設(shè)電感L上的電壓為i，則有di = —dt(1)
L此時(shí)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(shí)現(xiàn)零電壓 開(kāi)通。此后A點(diǎn)電壓逐漸上升，直到D2經(jīng)過(guò)反向恢復(fù)過(guò)程后完全恢復(fù)阻斷能力。 實(shí)驗(yàn)波形如圖4a中“ 2. 2 ”所標(biāo)示部分。若原電流為Q1開(kāi)通時(shí)電流流經(jīng)QnD3保持關(guān)斷狀態(tài),Q1上的電壓為零。當(dāng)Q1關(guān)斷 時(shí)，電流轉(zhuǎn)移到D2上。此時(shí)由于沒(méi)有二極管處于反向恢復(fù)狀態(tài)，因此在電路中不會(huì)出現(xiàn)明 顯的橋臂直通現(xiàn)象，沒(méi)有大的開(kāi)關(guān)管沖擊電流出現(xiàn)。但此時(shí)D3導(dǎo)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(kāi)關(guān)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(kāi)通時(shí)電流流經(jīng)DnD3保持關(guān)斷狀態(tài),Q1上的電壓為零。當(dāng)Q1關(guān)斷 時(shí)，電流仍然流經(jīng)Dp當(dāng)當(dāng)Q2開(kāi)通時(shí)，電流由D1轉(zhuǎn)移到Q2,當(dāng)D1電流為零時(shí)，電路進(jìn)入橋臂 直通狀態(tài)，但由于電感L的限流作用，會(huì)出現(xiàn)和“2. 2”同樣的情況。若原電流為Q2開(kāi)通時(shí)電流流經(jīng)D2,且此時(shí)電感L經(jīng)D3保持有一定電流，則當(dāng)當(dāng)Q2 關(guān)斷時(shí)，電流繼續(xù)流經(jīng)D2, Q2上的電壓仍為零。當(dāng)Q1開(kāi)通時(shí)，電流由D2轉(zhuǎn)移到Q1，此時(shí)橋臂 處于短路狀態(tài)。此時(shí)D3上的電流轉(zhuǎn)移到Q1, D3可以和D2 —同處于反向恢復(fù)狀態(tài)，電容C上 的電壓直接加到橋臂上，同時(shí)經(jīng)短暫時(shí)間后電壓U也通過(guò)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(shí) 沖擊電流最大，對(duì)橋臂也最危險(xiǎn)，在選擇元件時(shí)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(shí)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(jiàn)，電容C放電時(shí)電容電壓下降，放 電至電阻R電流為零時(shí)停止放電，由U對(duì)其充電，電壓開(kāi)始上升。當(dāng)電感L上電壓降為零時(shí) 電容C電壓保持穩(wěn)定。在這個(gè)過(guò)程中還會(huì)由于開(kāi)關(guān)管雜散參數(shù)的影響電容電壓會(huì)有波動(dòng)。本發(fā)明中逆變橋保護(hù)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(yuǎn)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(yīng)使在二極管的反向恢復(fù)時(shí)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(fù)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(fù)電流)。設(shè)二極管反向恢復(fù)時(shí)間為At，最大允許沖擊電流為Im，則有
權(quán)利要求
一種用于電流輸出型逆變器的三相四線橋保護(hù)電路，其特征是，在每一相上均設(shè)有結(jié)構(gòu)相同的IGBT橋臂保護(hù)電路，該電路包括一對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)管Q1、Q2，每個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管Q1、Q2反并聯(lián)一個(gè)二極管D1、D2；在該橋臂輸入端與電感L1連接；同時(shí)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(yáng)極經(jīng)電阻R與電容C1一端連接。
2.如權(quán)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(hù)電路，其特征是，所 述電感L取值遠(yuǎn)小于電感Ll取值。
3.如權(quán)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(hù)電路，其特征是，所 述電容C取值遠(yuǎn)小于電容Cl、電容C2取值。
4.如權(quán)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(hù)電路，其特征是，所 述電阻R取值應(yīng)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(fù)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(hù)電路，它可有效地降低功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的沖擊尖峰電流、di/dt和du/dt，可防止開(kāi)關(guān)器件出現(xiàn)誤觸發(fā)以有效保護(hù)功率器件。在每一相上均設(shè)有結(jié)構(gòu)相同的IGBT橋臂保護(hù)電路，該電路包括一對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)管Q1、Q2，每個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管Q1、Q2反并聯(lián)一個(gè)二極管D1、D2；在該橋臂輸入端與電感L1連接；同時(shí)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(yáng)極經(jīng)電阻R與電容C1一端連接。
文檔編號(hào)H02M1/32GK101976944SQ20101056194
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:山東電力研究院