[发明专利]三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器桥臂直通保护器

说明书

技术领域

本发明属于大功率中压变频交流调速装置中的桥臂直通保护器，特别是涉及一种在发生桥臂直通故障时能有效保护三电平集成门极换向晶闸管电压源型中压变频器的三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器桥臂直通保护器。

背景技术

集成门极换向晶闸管(IGCT)是一种目前用于电力变换的先进的大功率半导体开关器件，具有导通电流大、通态管压降低、以及快速关断的特点，是目前制造大功率三电平中压变频器的主要功率开关器件。

图1所示为一个有源前端型三电平IGCT电压源型三相中压变频器。在由于IGCT器件失效、或反向并联的快恢复续流二极管反向击穿、或外部触发控制回路的硬件故障、或控制软件编写错误等情况下，某一相桥臂可能会出现直通短路(见图2)。桥臂直通短路可以有多种情况，图2中仅画出其中4种。

IGCT的致命缺点是一旦流过它的电流超过其关断电流，将不能关断。直通短路情况下流过直通桥臂IGCT的电流大大超过其关断电流，所以该桥臂IGCT不能关断。由于回路电感很小(5～20μH)，如果没有保护措施，直流电容通过直通桥臂放电的电流将迅速上升，并超过IGCT允许的浪涌电流，使桥臂IGCT损坏。

解决上述直通短路问题、保护IGCT，大致有两类方法：一类是断路的方法，即采用断路器件(如快速熔断器、更大电流的IGCT器件等)串联在直流母线上，直通短路时将IGCT的电流通路断开；另一类是旁路分流的方法，即采用半导体开关器件与IGCT回路并联，并设计使旁路分流回路的阻抗小于IGCT桥臂阻抗，在IGCT桥臂直通短路时，开通旁路分流，迅速泄放直流回路的能量，使IGCT桥臂直通短路时的最大浪涌电流小于允许值，达到保护IGCT的目的。

目前现有的快速熔断器，一般其熔断时间在几ms到10ms，而上述直通故障电流的上升率一般在数百A/μs，其有效保护动作必须在十几μs至几十μs内启动，因此现有快速熔断器的响应时间过慢，不能满足需要；同时快速熔断器要做到中压、大电流，在制造工艺上也相当困难，散热以及损耗成为非常棘手的问题，处理不好将使其爆炸；即便有了这种快速熔断器，在熔断时断口处产生的较大过电压也可能导致IGCT直接损坏，使这种断路保护的方法基本不适宜采用。

断路的另一种方法是采用更大电流的IGCT器件串联在直流母线上，它基本克服了上述快速熔断器断路方法的缺点，至于断路过电压，可通过并联在保护用IGCT上的电阻缓冲。但这种方法有局限性，它适合于变频器所用IGCT元件电流较小(输出功率较小)情况，如果变频器所用IGCT已经是最大电流规格的，则不适合采用这个方法。此外，由于IGCT本身价格较高，采用这个方法的成本相对较高。

断路保护的另一个缺点是保护元件串联在直流回路中，正常工作时流过直流电流，增加了导通损耗，如果采用IGCT还需加散热器。

旁路分流的方法克服了上述断路保护的缺点，是目前大功率三电平IGCT电压源型中压变频器较为合适有效的直通短路保护方法。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种在发生桥臂直通故障时能有效保护三电平集成门极换向晶闸管电压源型中压变频器的三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器桥臂直通保护器。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器桥臂直通保护器，所述的桥臂直通保护器并联设置在由依次并联的整流器、直流滤波电容和逆变器构成的三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器的直流回路中，所述的桥臂直通保护器包括有保护单元、与保护单元相连的桥臂直通保护控制单元，以及与桥臂直通保护控制单元相连的多个桥臂直通信号检测单元。

所述的桥臂直通保护器并联在三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器直流回路中的直流滤波电容的两端。

所述的多个桥臂直通信号检测单元分别连接在三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器的每个桥臂电流上升率限制电抗器的两端。

所述的保护单元包括有构成三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器桥臂直通的正向浪涌电流旁路回路，和构成三电平集成门极换向晶闸管电压源变频器桥臂直通的反向浪涌电流旁路回路。

所述的正向浪涌电流旁路回路是由正向并联在直流母线上的晶闸管V1、V2构成，所述的晶闸管V1、V2的触发端与桥臂直通保护控制单元相连接。

所述的反向浪涌电流旁路回路是由反向并联在直流母线上的二极管D1、D2构成。

所述的正向浪涌电流旁路回路和反向浪涌电流旁路回路中还串联高能无感电阻。