Tnpc逆變器裝置及其橋臂短路檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及一種T型中點鉗位(TNPC)逆變器裝置，以及針對這種TNPC逆變器裝置的橋臂短路檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著大功率電力電子裝置逐步向高頻化、高功率密度，高可靠性、低成本方向發(fā)展，在諸如不間斷電源(UPS)、有源濾波器(APF)、靜止無功補償器(SVG)等裝置中廣泛應(yīng)用的逆變器拓撲成為人們研究的熱點。
[0003]目前，使用較廣泛的逆變器拓撲例如是T型中點鉗位(TNPC)拓撲和二極管鉗位(DNPC)拓撲，二者在不同的應(yīng)用中表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢。由于TNPC拓撲在中頻段損耗較小，且在無功時的換流路徑較短，所以逐漸被應(yīng)用在不同的電力電子裝置中。
[0004]由于可靠性是衡量電力電子裝置品質(zhì)的重要指標，大功率電力電子裝置的可靠性顯得尤其重要，所以，為了提高裝置的可靠性，針對不同的逆變器拓撲，業(yè)界也提出了不同的逆變器橋臂直通短路檢測方法。
[0005]現(xiàn)有的TNPC逆變器橋臂直通短路檢測方法主要是對施加在逆變器中開關(guān)管上的電壓進行退飽和檢測，例如對于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)類型的開關(guān)管，檢測其集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce是否退出了飽和區(qū)。圖1A是示意性說明開關(guān)管電壓Vce退飽和檢測原理的示意圖。為便于說明，這里以IGBT為例，以下同。
[0006]如圖1中所示，橫坐標是開關(guān)管集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce，橫坐標是開關(guān)管集電極電流Ic，多條實曲線是針對不同柵極電壓(即IGBT的靜態(tài)驅(qū)動電壓)的開關(guān)管特性曲線，虛曲線的左右側(cè)分別示出了所謂的飽和區(qū)和線性區(qū)，以下同。開關(guān)管(即IGBT)正常工作時，工作電流(例如為額定電流)Inormal較小。例如，當開關(guān)管的靜態(tài)驅(qū)動電壓Vge為15V時，開關(guān)管工作在靜態(tài)驅(qū)動電壓Vge為15V時對應(yīng)的特性曲線上的位于飽和區(qū)中的Pl點。此時，開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間的電壓Vce較低,一般為2?3V。
[0007]當該開關(guān)管所在的逆變器橋臂發(fā)生直通短路時，流過開關(guān)管的短路電流Isc較大，一般為該開關(guān)管額定電流的4?7倍,即Isc = (4?7) X Inormal,例如此時開關(guān)管工作在靜態(tài)驅(qū)動電壓Vge為15V時對應(yīng)的特性曲線上的位于線性區(qū)中的P2點。此時，開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間的電壓Vce相比正常工作時較高。該開關(guān)管的工作點從Pl點到P2點的過程通常叫做該開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間的電壓Vce退飽和，簡稱Vce退飽和，以下同。這樣，通過Vce退飽和檢測就可以判斷開關(guān)管所在的逆變器橋臂是否發(fā)生了直通短路。
[0008]圖1B是TJK意性說明現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)管電壓Vce退飽和檢測電路的TJK意圖。圖1B中所示的現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)管電壓Vce退飽和檢測電路中所包含的各元件的連接關(guān)系正如其中所示，當開關(guān)管S所在的逆變器橋臂沒有發(fā)生直通短路時，電流源Isource的微弱電流經(jīng)依次串聯(lián)的電阻R、二極管Da、二極管Db和開關(guān)管S而被泄放，電容C的兩端無法積累較高的電壓，從而電容正端B點的電壓不足以觸發(fā)比較器(即運算放大器)A。這里與開關(guān)管S反向并聯(lián)的二極管D不參與檢測。
[0009]當開關(guān)管S的集電極與發(fā)射極之間的電壓Vce滿足:Vce大于7V減去二極管Da的導(dǎo)通電壓和二極管Db的導(dǎo)通電壓之后的電壓，即大于大約5.6V(因為Da或Db的導(dǎo)通電壓一般為0.7V，R上的壓降可以忽略)時，電容C因被電流源Isource持續(xù)充電而抬高電容正端B點的電壓，當B點的電壓大于7V時，使比較器A翻轉(zhuǎn)而由其輸出端O輸出高電平，即可由此檢測出開關(guān)管S所在的逆變器橋臂發(fā)生了直通短路。這里開關(guān)管S兩端的“ + ”和表示此時電壓為上正下負。
[0010]結(jié)合圖1A和圖1B所描述的現(xiàn)有的TNPC逆變器橋臂直通短路檢測方法被使用于各種現(xiàn)有的TNPC拓撲的逆變器電路，例如，圖1C是示意性說明一個TNPC拓撲的逆變器電路的示意圖，圖1D是示意性說明另一個TNPC拓撲的逆變器電路的示意圖，圖1E是示意性說明再另一個TNPC拓撲的逆變器電路的示意圖，以及圖1F是示意性說明再另一個TNPC拓撲的逆變器電路的示意圖。圖1C、1D、1E和IF所示的TNPC拓撲的逆變器電路中所包含的各元件的連接關(guān)系正如其中所示:同向串聯(lián)的直流電壓源Vl和V2構(gòu)成正負對稱直流電壓源，“ + ”和分別表示正負對稱直流電壓源的正直流端和負直流端，電壓為上正下負；G是接地端，又是正負對稱直流電壓源的中點；同向串聯(lián)的開關(guān)管SI和S2構(gòu)成逆變橋臂，開關(guān)管SI連接到正直流端，開關(guān)管S2連接到負直流端，分別與開關(guān)管SI和S2反向并聯(lián)的二極管Dl和D2用于續(xù)流或換流，開關(guān)管SI和S2的連接點Oac是交流端；在中點G與交流端Oac之間連接有雙向開關(guān)橋臂，雙向開關(guān)橋臂可以分別由兩個開關(guān)管反向串聯(lián)或并聯(lián)而形成，以實現(xiàn)分別在兩個方向上續(xù)流或換流。例如，在圖1C中，開關(guān)管S3與S4反向串聯(lián)并分別反向并聯(lián)有二極管D3和D4，在圖1D中，開關(guān)管S13與S14反向串聯(lián)并分別反向并聯(lián)有二極管D13和D14，在圖1E中，開關(guān)管S23與S24反向并聯(lián)并分別反向串聯(lián)有二極管D23和D24，在圖1F中，開關(guān)管S33與S34反向并聯(lián)并分別反向串聯(lián)有二極管D33和D34。
[0011]以圖1C中所示的TNPC拓撲類型為例，圖1G是示意性說明現(xiàn)有技術(shù)中TNPC逆變器橋臂直通短路檢測裝置的框圖的示意圖。如圖1G中所示的所有開關(guān)管均位于一塑封殼內(nèi)，檢測電路通過塑封TNPC模塊的引腳(Pin)連接實現(xiàn)檢測。傳統(tǒng)技術(shù)中，為檢測TNPC模塊是否發(fā)生橋臂直通而造成的短路，對應(yīng)于TNPC模塊中包含的開關(guān)管S1、S2、S3和S4，至少需要配置四個檢測電路X1、X2、X3和X4。四個檢測電路分別檢測與之對應(yīng)連接的開關(guān)管。因此，對于此種TNPC模塊所應(yīng)用的電源裝置其TNPC模塊周邊的檢測電路會較為復(fù)雜，也會占用較多的電路板面積。再者，當檢測電路較多時也容易增加其受周邊電路的干擾而誤動作的幾率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本申請是考慮到至少一部分上述問題而做出的。
[0013]本申請的一個目的是提供一種TNPC逆變器裝置，包括:TNPC逆變器模塊，包括第一直流端、第二直流端、交流端、電容橋臂、逆變橋臂和雙向開關(guān)橋臂，其中所述電容橋臂的兩端與所述逆變橋臂的兩端分別連接到所述第一直流端和所述第二直流端，所述雙向開關(guān)橋臂的兩端分別連接到所述電容橋臂的中點和所述逆變橋臂的中點，所述交流端為所述逆變橋臂的中點，所述逆變橋臂包括上開關(guān)管單元和下開關(guān)管單元；以及短路檢測模塊，主要由上開關(guān)管檢測單元和下開關(guān)管檢測單元構(gòu)成，其中所述上開關(guān)管檢測單元配置為檢測所述上開關(guān)管單元的管壓降，所述下開關(guān)管檢測單元配置為檢測所述下開關(guān)管單元的管壓降。
[0014]本申請的另一個目的是提供一種TNPC逆變器裝置橋臂直通短路檢測方法，用于檢測TNPC逆變器裝置，所述TNPC逆變器裝置包括:TNPC逆變器模塊，包括第一直流端、第二直流端、交流端、電容橋臂、逆變橋臂和雙向開關(guān)橋臂，其中所述電容橋臂的兩端與所述逆變橋臂的兩端分別連接到所述第一直流端和所述第二直流端，所述雙向開關(guān)橋臂的兩端分別連接到所述電容橋臂的中點和所述逆變橋臂的中點，所述交流端為所述逆變橋臂的中點，所述逆變橋臂包括上開關(guān)管單元和下開關(guān)管單元；以及短路檢測模塊，由上開關(guān)管檢測單元和下開關(guān)管檢測單元構(gòu)成，其中所述上開關(guān)管檢測單元配置為檢測所述上開關(guān)管單元的管壓降，所述下開關(guān)管檢測單元配置為檢測所述下開關(guān)管單元的管壓降，所述TNPC逆變器裝置橋臂直通短路檢測方法由如下步驟構(gòu)成:僅檢測所述TNPC逆變器裝置中所述TNPC逆變器模塊的所述上開關(guān)管單元和所述下開關(guān)管單元的管壓降；以及當所述上開關(guān)管單元和所述下開關(guān)管單元的任何一個的管壓降大于參考值時，確定該開關(guān)管單元所在的回路的橋臂發(fā)生了直通短路。
[0015]本申請對TNPC逆變器裝置的逆變橋臂的開關(guān)管進行了優(yōu)先退飽和處理，提高了TNPC逆變器裝置的逆變橋臂的開關(guān)管的集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce，因此只檢測TNPC逆變器裝置的逆變橋臂的開關(guān)管的集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce，就能夠?qū)崿F(xiàn)NPC逆變器裝置橋臂直通短路的可靠檢測。而且，由于本發(fā)明只檢測TNPC逆變器裝置的逆變橋臂的開關(guān)管的集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce，大大減少了檢測電路的數(shù)量，因此電路簡單，器件較少，成本較低。
【附圖說明】
[0016]本申請的上述和其他目的、特征以及其他優(yōu)點將從如下結(jié)合附圖的詳細描述中變得更加清晰易懂，其中:
[0017]圖1A是示意性說明開關(guān)管電壓Vce退飽和檢測原理的示意圖；
[0018]圖1B是示意性說明現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)管電壓Vce退飽和檢測電路的示意圖；
[0019]圖1C是TJK意性說明一個TNPC拓撲的逆變器電路的TJK意圖；
[0020]圖1D是TJK意性說明另一個TNPC拓