[发明专利]TNPC逆变器装置及其桥臂短路检测方法

说明书

技术领域

本申请涉及一种T型中点钳位(TNPC)逆变器装置，以及针对这种TNPC逆变器装置的桥臂短路检测方法。

背景技术

随着大功率电力电子装置逐步向高频化、高功率密度，高可靠性、低成本方向发展，在诸如不间断电源(UPS)、有源滤波器(APF)、静止无功补偿器(SVG)等装置中广泛应用的逆变器拓扑成为人们研究的热点。

目前，使用较广泛的逆变器拓扑例如是T型中点钳位(TNPC)拓扑和二极管钳位(DNPC)拓扑，二者在不同的应用中表现出不同的优势。由于TNPC拓扑在中频段损耗较小，且在无功时的换流路径较短，所以逐渐被应用在不同的电力电子装置中。

由于可靠性是衡量电力电子装置品质的重要指标，大功率电力电子装置的可靠性显得尤其重要，所以，为了提高装置的可靠性，针对不同的逆变器拓扑，业界也提出了不同的逆变器桥臂直通短路检测方法。

现有的TNPC逆变器桥臂直通短路检测方法主要是对施加在逆变器中开关管上的电压进行退饱和检测，例如对于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)类型的开关管，检测其集电极和发射极之间的电压Vce是否退出了饱和区。图1A是示意性说明开关管电压Vce退饱和检测原理的示意图。为便于说明，这里以IGBT为例，以下同。

如图1中所示，横坐标是开关管集电极和发射极之间的电压Vce，横坐标是开关管集电极电流Ic，多条实曲线是针对不同栅极电压(即IGBT的静态驱动电压)的开关管特性曲线，虚曲线的左右侧分别示出了所谓的饱和区和线性区，以下同。开关管(即IGBT)正常工作时，工作电流(例如为额定电流)Inormal较小。例如，当开关管的静态驱动电压Vge为15V时，开 关管工作在静态驱动电压Vge为15V时对应的特性曲线上的位于饱和区中的P1点。此时，开关管集电极与发射极之间的电压Vce较低，一般为2～3V。

当该开关管所在的逆变器桥臂发生直通短路时，流过开关管的短路电流Isc较大，一般为该开关管额定电流的4～7倍，即Isc＝(4～7)×Inormal，例如此时开关管工作在静态驱动电压Vge为15V时对应的特性曲线上的位于线性区中的P2点。此时，开关管集电极与发射极之间的电压Vce相比正常工作时较高。该开关管的工作点从P1点到P2点的过程通常叫做该开关管集电极与发射极之间的电压Vce退饱和，简称Vce退饱和，以下同。这样，通过Vce退饱和检测就可以判断开关管所在的逆变器桥臂是否发生了直通短路。

图1B是示意性说明现有技术中开关管电压Vce退饱和检测电路的示意图。图1B中所示的现有技术中开关管电压Vce退饱和检测电路中所包含的各元件的连接关系正如其中所示，当开关管S所在的逆变器桥臂没有发生直通短路时，电流源Isource的微弱电流经依次串联的电阻R、二极管Da、二极管Db和开关管S而被泄放，电容C的两端无法积累较高的电压，从而电容正端B点的电压不足以触发比较器(即运算放大器)A。这里与开关管S反向并联的二极管D不参与检测。

当开关管S的集电极与发射极之间的电压Vce满足：Vce大于7V减去二极管Da的导通电压和二极管Db的导通电压之后的电压，即大于大约5.6V(因为Da或Db的导通电压一般为0.7V，R上的压降可以忽略)时，电容C因被电流源Isource持续充电而抬高电容正端B点的电压，当B点的电压大于7V时，使比较器A翻转而由其输出端O输出高电平，即可由此检测出开关管S所在的逆变器桥臂发生了直通短路。这里开关管S两端的“+”和“-”表示此时电压为上正下负。