[发明专利]用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电流输出型逆变器的三相四线桥保护电路。

背景技术

电流输出型逆变器与一般电压源型逆变器的主要区别是直流侧工作电压特别高，逆变桥输出经电感接交流电压源。典型的电流输出型逆变器包括有源电力滤波器、静止无功发生器和光伏逆变器等，为保证输出电流的良好跟踪特性，其工作电压至少为两倍的交流相电压峰值(赵国鹏，刘进军.静止无功发生器直流侧电压对无功补偿特性的影响研究[J].西安交通大学学报，2010，44(4)：66-70.)。在无保护电路时，逆变桥上下桥臂换流时，由于二极管存在反向恢复时间，桥臂在一定时间内会处于上下直通状态。若此时直流侧电压较高，则将产生很大的瞬时直通电流，进而产生极大的电流变化率和电压变化率，容易导致开关器件的误触发或烧毁。虽然有些在工业中应用的电压输出型逆变器也存在桥臂直通问题，但由于直流侧电压较低，产生的直通冲击电流较小，危害性较低而不被人们重视。

文献(马俊兴，孙汉卿.IGBT短路保护的驱动电路的设计[J].通信技术，2009，42(11)：235-237.；胡宇，吕征宇.IGBT驱动保护电路的设计与测试[J].机电工程，2008，25(7)：58-60，71.；邱进，陈轩恕，刘飞，等.基于有源电力滤波器的IGBT驱动及保护研究[J].通信电源技术，2008，25(5)：4-6.)提出了基于IGBT驱动电路的保护方案，通过检测过电流的大小决定是否关闭IGBT驱动电路，但这类方法没考虑逆变电路正常工作时由续流二极管、另一桥臂开关管和直流侧电压引起的直通过电流，易造成逆变电路不能正常工作。有些保护电路还通过在开关管两侧并联高频电容以降低开关损耗和过电压，反而更增加了二极管反向恢复时的过电流峰值。文献[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]提出了一种用于集成门极换流晶闸管(IGCT)的保护电路，但并未将其用于带有反并联二极管的IGBT保护中。

首先基于工作原理和实验波形，分析功率器件的动态开关特性，以及由器件开关特性引起的直通现象而产生电流尖峰的原因。通过分析发现，完全消除电流尖峰是不可能的，只能采取必要措施以降低电流尖峰的幅值并将其限制在开关器件可以承受的合理范围内。

1逆变电路产生瞬时电流尖峰的机理分析

典型的电流输出型三相四线逆变器的等效电路如图1所示，具有典型的半桥拓扑结构。图1中，Q₁和Q₂为IGBT开关管，D₁和D₂为Q₁和Q₂反并联二极管。

在图1中，以由D₁和D₂以及Q₁和Q₂组成的桥臂为例，当桥臂的两个开关管都没有驱动信号时，假定此时电流流经D₁，则当Q₂开通时，电流从D₁转移到Q₂，当D₁电流降到零时，电感电流已全部转移到Q₂。由于二极管D₁反向恢复时间的存在，此时D₁处于反向导通状态，直流侧电压直接加到D₁和Q₂上。由于D₁和Q₂的动态阻抗很低，直流侧电压在D₁和Q₂上产生很大的直通电流，唯一限制直通电流的是D₁和Q₂的动态阻抗和线路杂散电感。此后随着二极管PN结电荷势垒区的恢复，二极管恢复反向阻断状态，但由于线路杂散电感和二极管PN结等效电容的作用，电流呈现振荡下降的趋势。

由于在图1电路中直流侧电压很高[赵国鹏，刘进军.静止无功发生器直流侧电压对无功补偿特性的影响研究[J].西安交通大学学报，2010，44(4)：66-70.]，当此种直通现象发生时冲击电流会达到一个很大的值，从而产生很大的di/dt和du/dt，极易造成开关器件的误动作而导致器件损坏。