[发明专利]二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法及其实现电路

说明书

技术领域

本发明公开一种二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法及其实现电路，可以应用于二极管箝位型的多电平变换器，其应用包括不间断电源(UPS)、变频器、逆变器等含有该部分拓扑的电力变换装置。

背景技术

二极管箝位型多电平电路是新型的电力变换拓扑，其单相的三电平逆变器拓扑结构如图1所示，功率管Q1-功率管Q4为主功率管，其中，功率管Q1和功率管Q4行业中通常称为外功率管，功率管Q2和功率管Q3行业中通常称为内功率管，电容C1-电容C4代表功率管Q1-功率管Q4的等效输出结电容或电路外加的电容，二极管D5和二极管D6为中点箝位二极管，其两端分别接各自的吸收电路，电容C5和电容C6是其中的吸收电容。其优点在于效率高，开关应力为母线的一半，是应用最广泛的多电平电路拓扑。当逆变器突加冲击性负载或者输出短路时，逆变器输出电流会迅速上升，一般的方法是检测到电流超过设定值时，封锁逆变器功率管的驱动，当电流下降到设定值以下时，解除功率管的驱动封锁，变换器正常工作。这种方法的主要问题是，当封锁信号解除时，功率管进入正常工作模式，假如功率开关管Q1，功率开关管Q2一起导通，则电容C1，电容C2和电容C5同时被充电，由于箝位二极管D5和箝位二极管D6的吸收电容C5和吸收电容C6的容值远大于功率管的输出等效结电容(电容C1-电容C4)，电容C1(或电容C4)的充电电压很低，所以这个过程中电容C2的电压会大于电容C1的电压，会存在内侧功率管和外侧功率管不均压的情况，严重影响器件的安全。

目前对于这种不均压的情况，业界有几种解决方法：一种是提高功率管的耐压值至总母线电压以上，如1200V，这样可以避免超过功率管的额定工作电压，但是会带来设备成本的增加；一种是增加新的控制电路，当电流下降到设定值后，增加一种新的发波时序，使内侧功率管先强制开通时间tc1，再根据当前工作状态使其中一个内侧功率管关断时间tc2，随后再进入正常的PWM发波方式，这种方法的好处是控制可靠，但是缺点是功能比较复杂，需要改变原有的PWM发波方式，所以需要增加复杂可编程逻辑器件(CPLD)等复杂器件来实现，也增加了系统的硬件成本。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的二极管箝位型多电平电路中解决内侧功率管和外侧功率管不均压的问题，硬件实现成本高的缺点，本发明提供一种离散元件搭接成的简单实现电路，大大降低了产品的成本。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种二极管箝位型多电平变换器的限流保护方法，该方法为当多电平变换器的逆变输出电流超过设定值时，先封锁外功率开关管，延时时间td1后封锁内功率开关管，保证外功率开关管只承受半边母线应力；当多电平变换器的逆变输出电流下降到设定值后，内功率开关管的封锁信号解除，外功率开关管的封锁信号必须由两个内功率开关管驱动信号的上升沿共同来解除。

一种实现上述的保护方法的电路，电路包括内管保护电路和外管保护电路，每组外管保护电路包括一组D触发器U1和一个D触发器U2，外管驱动信号G1和外管驱动信号G4分别输入或门U3的两个输入端，或门U3的输出端连接至D触发器U1的时钟信号输入端，内管驱动信号G2或内管驱动信号G3分别输入与门U5的两个输入端，与门U5的输出端连接至D触发器U2的时钟信号输入端，过流信号连接至D触发器U2的复位信号输入端，D触发器U2的负输出端与D触发器U1的复位信号输入端连接，D触发器U1和D触发器U2的数据信号端接高电平，D触发器U1的正输出端和外管驱动信号G1或外管驱动信号G4分别输入与门U4的两个输入端，与门U4的输出端作为外功率开关管Q1或外功率开关管Q4的驱动信号；每组内管保护电路包括延时反向电路U7和与门U6，过流信号经过延时反向电路U7后和内管驱动信号G2或内管驱动信号G3分别输入与门U6的两个输入端，与门U6的输出端作为内功率开关管Q2或内功率开关管Q3的驱动信号。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的过流信号延时td1的时间长度为200μs-1000μs。

所述的过流信号延时td1的时间长度为500μs。