專利名稱：用于保護(hù)多電平變換器的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及中性點箝位(NPC)或二極管箝位多電平變換器，更具體來說，涉及用于保護(hù)多電平變換器的方法。
背景技術(shù)：
二極管箝位多電平變換器一般用于如變速驅(qū)動器(VSD)系統(tǒng)之類的大功率工業(yè)應(yīng)用中，或者用于如太陽能(或光伏)或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之類的能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用中。多電平變換器通過通常從電容器電壓源得到的若干電壓電平來合成正弦電壓。三電平變換器包括串聯(lián)的兩個電容器電壓。三電平變換器的各相支路具有串聯(lián)的四個開關(guān)裝置以及箝制到電容器中心點的兩個二極管。多電平變換器中的開關(guān)裝置在短路狀況期間受到高的電和熱應(yīng)力。例如，如果在開關(guān)裝置內(nèi)因電應(yīng)力或過電流狀況而存在大功耗，則開關(guān)裝置過熱，并且可能受到熱擊穿。 一旦開關(guān)裝置被擊穿或破壞，在沒有保護(hù)措施的情況下，連鎖反應(yīng)可能發(fā)生，并且引起變換器橋內(nèi)的其它開關(guān)裝置的破壞。用于保護(hù)變換器橋的一些技術(shù)包括采用緩沖電路或消弧電路。但是，附加硬件的使用是高成本且復(fù)雜的解決方案。因此，希望提供解決上述問題的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種三電平中性點箝位(NPC)變換器。三電平NPC 變換器包括多個相支路，每個相支路具有至少兩個內(nèi)開關(guān)裝置、至少兩個外開關(guān)裝置以及至少兩個箝位二極管和保護(hù)電路。保護(hù)電路包括內(nèi)組件故障感測電路，用以檢測內(nèi)開關(guān)裝置或箝位二極管中的任一個中的故障狀況。在保護(hù)電路中還采用選通信號生成電路為鄰近出故障的內(nèi)開關(guān)裝置或箝位二極管的相應(yīng)外開關(guān)裝置生成接通信號。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供一種保護(hù)三電平電力變換器的方法，所述三電平電力變換器包括DC鏈路電容器以及包含開關(guān)裝置的相支路，并且連接到電力網(wǎng)。該方法包括通過經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)阻抗使電力網(wǎng)短路，并且斷開所述開關(guān)裝置中的至少一些開關(guān)裝置，來阻止至少一個DC鏈路電容器充電。根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，提供一種用于三電平NPC變換器的保護(hù)電路，所述三電平NPC變換器包括多個相支路，每個相支路具有至少兩個內(nèi)開關(guān)裝置、至少兩個外開關(guān)裝置以及至少兩個箝位二極管。保護(hù)電路包括內(nèi)組件故障感測電路，用以檢測內(nèi)開關(guān)裝置或箝位二極管中的任一個中的故障狀況。保護(hù)電路還包括選通信號生成電路，它為鄰近出故障的內(nèi)開關(guān)裝置或箝位二極管的相應(yīng)外開關(guān)裝置生成接通信號，以及為三電平NPC變換器中的其余開關(guān)裝置生成斷開信號。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，會更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點，附圖中，相似的符號在附圖中通篇表示相似的部分，其中圖1是常規(guī)中性點箝位多電平變換器的一個相支路的電路圖和輸出波形；圖2是連接到電力網(wǎng)的三相三電平NPC變換器的電路圖，示出在半導(dǎo)體故障短路的情況下的電流通路；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、連接到電力網(wǎng)的三相三電平NPC變換器的電路圖，示出配備保護(hù)電路時的不同電流通路；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、具有保護(hù)電路、連接到單相電源的單相三電平 NPC變換器的電路圖；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的保護(hù)電路的框圖。
具體實施例方式正如下面詳細(xì)論述的，本發(fā)明的實施例使多電平變換器能夠采用保護(hù)方案將直流 (DC)電變換為交流(AC)電。對于三電平中性點箝位(NPC)變換器，當(dāng)內(nèi)開關(guān)裝置(圖1 的18或20)或者箝位二極管(圖1的M或沈)出故障時，存在關(guān)鍵故障模式。在這種狀況下，DC鏈路的一半，即圖1中的Vl或V2，被充電到機(jī)器的峰值線間電壓或者電網(wǎng)側(cè)電壓。 這個值通常高于開關(guān)裝置和電容器的最大容許阻止電壓。因此，這將使附加開關(guān)裝置、特別是連接到相同DC母線的相支路中的開關(guān)裝置在最初開關(guān)裝置出故障之后出故障。本發(fā)明的保護(hù)方案提供一種適當(dāng)?shù)目刂七壿?，它使用現(xiàn)有半導(dǎo)體開關(guān)來保護(hù)連接到相同DC母線的相支路中的開關(guān)裝置。圖1示出常規(guī)中性點箝位(NPC)或二極管箝位三電平變換器的一個支路或一相的示意圖10及其輸出波形12。三電平變換器的一個支路14包括四個開關(guān)裝置16、18、20和 22以及兩個二極管M和26。輸入電壓Vl和V2被控制成各具有等于Vdc/2的電壓，其中 Vdc是總DC鏈路電壓。電壓V3是相對DC鏈路30的中心點觀所測量的相A輸出電壓。開關(guān)裝置16與開關(guān)裝置20互補(bǔ)，使得當(dāng)開關(guān)裝置16導(dǎo)通時，開關(guān)裝置20不導(dǎo)通，反之亦然。 類似地，開關(guān)裝置18和22是互補(bǔ)的。在操作中，NPC三電平變換器的各支路具有三個開關(guān)階段。在第一開關(guān)階段，開關(guān)裝置16和18接通，而開關(guān)裝置20和22斷開。假定穩(wěn)定操作，Vl = TZ = Vdc/2,并且V3變成Vdc/2。在第二開關(guān)階段，開關(guān)裝置18和20接通，而開關(guān)裝置16和22斷開。在這一階段，V3等于0。在第三開關(guān)階段，開關(guān)裝置16和18斷開，而開關(guān)裝置20和22接通。這使V3 變成-Vdc/2，如波形12中所示。因此，能夠看到，相電壓V3具有三種電平Vdc/2、-Vdc/2和 0。當(dāng)組合NPC三相變換器的全部三個支路時，則所得到的線間電壓具有5個電平，即Vdc、 Vdc/2,0, -Vdc/2和-Vdc。圖1的三電平變換器14可增加到任何電平，這取決于電路拓?fù)湟约半娐分械拈_關(guān)裝置和二極管的數(shù)量。隨著變換器中的電平數(shù)量增加，變換器的輸出波形接近純正弦波，從而得到輸出電壓中的較低諧波。圖2示出連接到電力網(wǎng)60的三相三電平NPC變換器42的電路圖40。NPC變換器 42包括具有頂電容器44和底電容器46的分裂DC鏈路以及各與不同的相關(guān)聯(lián)的三個支路。 如前面所述，變換器42的各相包括兩個外開關(guān)裝置和兩個內(nèi)開關(guān)裝置，例如，分別是用于相C的外開關(guān)裝置48和M以及內(nèi)開關(guān)裝置50和52、用于相B的外開關(guān)裝置148和154以及內(nèi)開關(guān)裝置150和152、用于相A的外開關(guān)裝置248和254以及內(nèi)開關(guān)裝置250和252。此外，各支路包括用于相C的兩個箝位二極管56和58、用于相B的兩個箝位二極管156和 158以及用于相A的兩個箝位二極管256和258。NPC變換器42連接到電力網(wǎng)60。在一個實施例中，NPC變換器42可通過變壓器或電網(wǎng)阻抗70、72和74連接到電力網(wǎng)60。在另一個實施例中，不是連接到電力網(wǎng)，而是NPC變換器可連接到諸如電動機(jī)或發(fā)電機(jī)之類的負(fù)載(未示出)ο在正常操作期間，NPC變換器42將輸入DC電變換成輸出AC電，并且將其傳遞給電網(wǎng)或負(fù)載。在一個實施例中，對NPC變換器輸入的DC電可由諸如光伏電池、燃料電池或蓄電池源之類的電源(未示出)來提供。電容器44和46則分別被充電到等于VdC//2的電壓V1、V2，其中Vdc是額定DC鏈路電壓。在一個實施例中，NPC變換器42還能夠作為有源整流器來操作，以便將AC電變換成DC電。在另一個實施例中，利用具有公共DC母線的兩個NPC變換器的背對背連接。在這個實施例中，第一 NPC變換器將AC電變換成公共DC母線的電力，以及第二 NPC變換器將 DC電變換成AC電。這個實施例用于將具有某個電壓和頻率的AC電變換成具有不同電壓和 /或頻率的第二 AC電?？赡艿膽?yīng)用是變換來自變速電源(例如風(fēng)輪機(jī)或小型水電站)的 AC電，以供固定頻率的AC電力網(wǎng)使用。圖2還示出變換器42中的故障狀況，其中相C的內(nèi)開關(guān)裝置50故障短路(由參考標(biāo)號62表示)。此狀況可作為諸如例如內(nèi)開關(guān)裝置50的熱擊穿、內(nèi)開關(guān)裝置50的電壓擊穿、因宇宙射線引起的故障以及因開關(guān)裝置的不良制造引起的故障之類的出現(xiàn)的結(jié)果而發(fā)生。當(dāng)檢測到開關(guān)裝置50的擊穿時，阻止到其余開關(guān)裝置的開關(guān)脈沖，即，其余開關(guān)裝置被斷開。但是，由于存在電力網(wǎng)60，所以頂開關(guān)裝置的續(xù)流二極管149、151、249和251保持導(dǎo)通。相A和相B電流分別通過續(xù)流二極管149、151和249、251進(jìn)入頂電容器44，并且來自頂電容器44的輸出電流通過箝位二極管56和短路的開關(guān)裝置50進(jìn)入相C。因此，頂電容器44通過三相電流通路64、66和68充電到電網(wǎng)側(cè)的峰值線間電壓或者機(jī)器側(cè)電壓。峰值線間電壓可高達(dá)頂電容器44的標(biāo)稱工作電壓(Vdc/2)的兩倍，它高于NPC變換器中使用的開關(guān)裝置和電容器的最大容許阻止電壓。由于其余開關(guān)裝置觀測到高于其阻止電壓的電壓，所以這些狀況引起連接到公共DC母線的所有相支路(即，不僅僅是具有出故障的內(nèi)開關(guān)的相支路)中的其它開關(guān)裝置的過電壓狀況和故障。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、具有橋保護(hù)電路80的三相三電平NPC變換器 78。應(yīng)當(dāng)指出，即使針對三相變換器來說明保護(hù)電路，它也能用于不同類型的變換器，其中一個示例包括單相變換器。在操作中，該電路檢測內(nèi)開關(guān)裝置50、52、150、152、250和252 以及箝位二極管56、58、156、158、256和258的故障。在檢測到裝置或箝位二極管其中之一的故障時，該電路向相應(yīng)相鄰?fù)忾_關(guān)裝置發(fā)送選通信號以接通該裝置，并且向NPC變換器的其余內(nèi)和外開關(guān)裝置發(fā)送選通信號以斷開那些開關(guān)裝置。例如，如果該電路檢測到內(nèi)開關(guān)裝置50或箝位二極管56故障短路，則它發(fā)送接通鄰近外開關(guān)裝置48的選通信號以及斷開其余開關(guān)裝置52、54、148、150、152、154、M8、250、252和254的選通信號。應(yīng)當(dāng)指出，本文所述的開關(guān)裝置可包括例如，諸如IGBT、IGCT, MCT、MTO和MOSFET之類的裝置。這類裝置可由任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料(其中硅和碳化硅是兩個非限制性的示例)來制造。在一個實施例中，除了以上所述的那些之外，橋保護(hù)電路80可使用其它測量結(jié)果和邏輯信號來檢測故障模式并且確定保護(hù)策略。作為一個示例，其它測量結(jié)果可包括相電流測量結(jié)果、相電壓測量結(jié)果和DC母線電壓測量結(jié)果。開關(guān)裝置的上述開關(guān)通過電網(wǎng)阻抗70、72和74、相B的續(xù)流二極管149和151、相 C的續(xù)流二極管249和251、外開關(guān)裝置48以及短路的內(nèi)開關(guān)裝置50使電力網(wǎng)終端或負(fù)載終端短路。從圖3可看到，新的相電流82、84和86沒有經(jīng)過頂電容器44，因此不對它充電。 因此，頂電容器44沒有被充電到高于其額定值、即Vdc/2的電壓。這個控制操作防止連接到相同DC母線的相支路(除了已經(jīng)出故障的相支路之外)因過電壓引起的故障。例如，對于圖3，相A和相B在相C出故障的情況下會受到保護(hù)。應(yīng)當(dāng)指出，出故障的內(nèi)開關(guān)裝置50 和鄰近的外開關(guān)裝置48將承載短路電流Isc，而其它開關(guān)裝置148、150、248和250僅承載短路電流的一半，即Isc/2。短路電流的值取決于電網(wǎng)阻抗70、72和74。在某些實施例中， 短路電流Isc可高于開關(guān)裝置的額定電流。由于相鄰開關(guān)裝置48承載電流Isc，所以鄰近的開關(guān)裝置48可因過電流或過熱狀況而出故障。但是，NPC變換器的相支路(各包括四個開關(guān)裝置和兩個二極管)一般各作為單個單元來封裝，使得如果該單元中的四個開關(guān)裝置或兩個二極管中的任一個出故障，則更換整個單元。因此，即使開關(guān)裝置48在開關(guān)裝置50 出故障之后出故障，這種故障也不會引起任何增加的成本。因此，避免頂電容器44的過充電產(chǎn)生對其余相支路中的開關(guān)裝置的保護(hù)。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、具有橋保護(hù)電路202的單相三電平NPC變換器200。NPC變換器200包括兩個相支路，其中包括用于左支路的外開關(guān)裝置210、216和用于右支路的外開關(guān)裝置222、236，以及用于左支路的內(nèi)開關(guān)裝置212、214和用于右支路的內(nèi)開關(guān)裝置228、232。NPC變換器200還包括用于各支路的兩個箝位二極管，即，用于左支路的箝位二極管218、220和用于右支路的箝位二極管224、234。在正常操作期間，單相電壓源204同等地對DC鏈路電容器206和208充電。但是，當(dāng)如內(nèi)開關(guān)裝置212之類的內(nèi)組件故障短路(由參考標(biāo)號205表示)時，在沒有保護(hù)電路202的情況下，電容器206充電到單相交流(AC)電壓的峰值。由于峰值單相AC電壓通常高于NPC變換器中使用的開關(guān)裝置的最大容許阻止電壓，所以這些開關(guān)裝置的故障可因過電壓而發(fā)生。當(dāng)橋保護(hù)電路202檢測到內(nèi)組件、即內(nèi)開關(guān)裝置或箝位二極管的故障時，它向鄰近的外開關(guān)裝置提供接通選通信號以及向其余開關(guān)裝置提供斷開選通信號。因此，在當(dāng)前情況下，橋保護(hù)電路202為開關(guān)裝置210提供接通信號，以及為其余開關(guān)裝置214、216、222、 228,232和236提供斷開選通信號。這種狀況使單相電壓源204短路，并且短路電流流經(jīng)相阻抗238和對0、續(xù)流二極管2 和230以及開關(guān)裝置210和212。因此，頂電容器206沒有充電到高于其額定電壓的電壓。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的橋保護(hù)電路100。電路輸入可包括相電流測量結(jié)果101、相電壓測量結(jié)果105、DC鏈路電壓測量結(jié)果103以及來自用于各種開關(guān)裝置的各種門驅(qū)動電路的反饋信號。電路100包括內(nèi)組件故障感測電路102、外開關(guān)裝置確定電路104和選通信號生成電路106。應(yīng)當(dāng)指出，即使橋保護(hù)電路100的各種組件被作為電路列出，它們也能夠是處理電路程序或算法的一部分。在一個實施例中，電路100是正常狀況期間采用的NPC變換器的現(xiàn)有處理電路的一部分。當(dāng)內(nèi)組件之一、如內(nèi)開關(guān)裝置或箝位二極管故障短路時，內(nèi)組件故障感測電路102 生成信號。例如，如果圖3的開關(guān)裝置50故障短路，則電路102生成指示其故障的信號，并且將該信號傳遞給外開關(guān)裝置確定電路104。電路104則確定哪一個外開關(guān)裝置與出故障的內(nèi)開關(guān)裝置相鄰。在一個實施例中，代替外開關(guān)裝置確定電路104，軟件可編程為對于內(nèi)開關(guān)裝置和箝位二極管中每一個存儲鄰近的外開關(guān)裝置。對于本例，電路104確定開關(guān)裝置48是與出故障的開關(guān)裝置50鄰近的外開關(guān)裝置，然后將這個信息傳送給選通信號生成電路106。選通信號生成電路則向鄰近的外開關(guān)裝置50提供接通信號，以及向其余開關(guān)裝置 52、54、148、150、152、154、248、250、252 和 254 提供斷開信號。所提出方案的優(yōu)點之一在于，它在內(nèi)開關(guān)裝置或箝位二極管其中之一已經(jīng)出故障時防止整個NPC變換器橋出故障，而無需附加硬件。雖然本文僅說明和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會想到許多修改和變更。因此要理解，所附權(quán)利要求意在涵蓋落入本發(fā)明的真實精神之內(nèi)的所有這類
修改和變更。
元件列表
10常規(guī)中性點箝位(NPC)三電平變換器的一個支路的示:
12常規(guī)NPC三電平變換器的輸出波形
14NPC三電平變換器的--個支路
16，18，20，22開關(guān)裝置
24,26 二極管
28DC鏈路的中心點
30DC鏈路
40連接到電力網(wǎng)的三相J三電平NPC變換器的電路圖
42三相三電平NPC變換器
44頂電容器
46底電容器
48，54，148，154，248，254外開關(guān)裝置
50，52，150，152,250,252內(nèi)開關(guān)裝置
56，58，156，158，256，258箝位二極管
60電力網(wǎng)
70，72，74 電網(wǎng)阻抗
62短路表示
64，66，68相電流通路
149，151，249，251 續(xù)流二極管
78三電平NPC變換器
80橋保護(hù)電路
82，84，86新的相電流通路
200單相三電平NPC變換器
202橋保護(hù)電路
204單相電壓源
206,208 DC鏈路電容器
210，216，222，236 外開關(guān)裝置
212,214,228,232 內(nèi)開關(guān)裝置
218，220，224，234 箝位二極管
205短路表示
226,230續(xù)流二極管
238,240鏈路阻抗
100橋保護(hù)電路
101相電流測量結(jié)果
105相電壓測量結(jié)果
103DC鏈路電壓測量結(jié)果
107來自門驅(qū)動電路的反饋信號
102內(nèi)組件故障感測電路
104外開關(guān)裝置確定電路
106選通信號生成電路
權(quán)利要求
1.一種三電平中性點箝位(NPC)變換器(78)，包括多個相支路，每個相支路具有至少兩個內(nèi)開關(guān)裝置(50，52，150，152，250，252)、至少兩個外開關(guān)裝置(48,54,148,154,248,254)和至少兩個箝位二極管(56，58，156，158，256， 258)；以及保護(hù)電路(80)，其中包括內(nèi)組件故障感測電路(102)，用來檢測所述內(nèi)開關(guān)裝置(50)或箝位二極管中的任一個中的故障狀況，選通信號生成電路(106)，配置成為鄰近出故障的內(nèi)開關(guān)裝置(50)或者出故障的箝位二極管的相應(yīng)外開關(guān)裝置G8)生成接通信號。
2.如權(quán)利要求1所述的三電平NPC變換器，其中，在檢測到所述故障狀況時，所述選通信號生成電路還配置成為所述三電平NPC變換器中的其余開關(guān)裝置生成斷開信號。
3.如權(quán)利要求1所述的三電平NPC變換器，其中，所述三電平變換器包括單相三電平變換器(200)。
4.如權(quán)利要求1所述的三電平NPC變換器，其中，所述三電平變換器包括三相三電平變換器(78)。
5.如權(quán)利要求1所述的三電平NPC變換器，其中，所述內(nèi)開關(guān)裝置和外開關(guān)裝置選自 IGBT、IGCT、MCT、MTO 禾口 MOSFET。
6.一種保護(hù)三電平電力變換器(78)的方法，所述三電平電力變換器(78)包括DC鏈路電容器(44，46)以及包含開關(guān)裝置(50, 52,150,152, 250, 252,48, 54,148,154, 248, 254) 的相支路，并且連接到電力網(wǎng)(60)，所述方法包括通過經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)阻抗(70，72，74)使所述電力網(wǎng)(60)短路，并且斷開所述開關(guān)裝置中的至少一些開關(guān)裝置，來阻止至少一個DC鏈路電容器(78)充電。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，阻止包括接通所述三電平變換器的出故障的內(nèi)組件的鄰近外開關(guān)裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括斷開所述三電平變換器中的其余開關(guān)裝置。
9.一種用于三電平中性點箝位(NPC)變換器(78)的保護(hù)電路，所述三電平NPC變換器 (78)包括多個相支路，每個相支路具有至少兩個內(nèi)開關(guān)裝置(50，52，150，152，250，252)、 至少兩個外開關(guān)裝置(48，54，148，154，248，254)和至少兩個箝位二極管(56，58，156，158， 256，258)，所述保護(hù)電路(80)包括內(nèi)組件故障感測電路(102)，用來檢測所述內(nèi)開關(guān)裝置(50)或箝位二極管中的任一個中的故障狀況；選通信號生成電路(106)，配置成為鄰近出故障的內(nèi)開關(guān)裝置(50)或者出故障的箝位二極管的相應(yīng)外開關(guān)裝置G8)生成接通信號，以及為所述三電平NPC變換器中的其余開關(guān)裝置生成斷開信號。
10.如權(quán)利要求9所述的保護(hù)電路，其中，所述內(nèi)開關(guān)裝置和外開關(guān)裝置選自IGBT、 IGCT、MCT、MT0 禾P MOSFET0
全文摘要
本發(fā)明名稱是“用于保護(hù)多電平變換器的系統(tǒng)和方法”。三電平中性點箝位(NPC)變換器(78)包括多個相支路，每個相支路具有至少兩個內(nèi)開關(guān)裝置(50，52，150，152，250，252)、至少兩個外開關(guān)裝置(48，54，148，154，248，254)、至少兩個箝位二極管(56，58，156，158，256，258)和保護(hù)電路(80)。內(nèi)組件故障感測電路(102)在保護(hù)電路(80)中用于檢測內(nèi)開關(guān)裝置(50)或箝位二極管中的任一個中的故障狀況。保護(hù)電路(80)還包括選通信號生成電路(106)，它配置成為鄰近出故障的內(nèi)開關(guān)裝置(50)或箝位二極管的相應(yīng)外開關(guān)裝置(48)生成接通信號。
文檔編號H02H7/122GK102237672SQ20111011632
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者R·勒斯納, S·施勒德 申請人:通用電氣公司