CN109586243B - 不间断电源三电平限流电路及其控制方法 - Google Patents

不间断电源三电平限流电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种不间断电源三电平限流电路及其控制方法，属于电源电路技术领域，包括第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块、第四IGBT模块、第五IGBT模块和第六IGBT模块，其中第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块和第四IGBT模块相串联形成回路，且回路的一侧连接第一BUS电容和第二BUS电容，另一侧连接输出电感和输出电容，第一IGBT模块和第二IGBT模块的外部并联第五IGBT模块，第三IGBT模块和第四IGBT模块的外部并联第六IGBT模块，能够降低器件损坏风险，对输出负载冲击限制要求降低，提高产品的可靠性，解决了现有技术中出现的问题。

Description

不间断电源三电平限流电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种不间断电源三电平限流电路及其控制方法，属于电源电路技术领域。
背景技术
如图1所示，在线式不间断电源三电平的限流是指通过输出电感L的电流I超过预设电流值Iset后第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2、第三IGBT模块Q3、第四IGBT模块Q4一起关断的状况；三电平实际应用中为改善第一IGBT模块Q1和第四IGBT模块Q4的峰值电压而并联第一吸收电容C1和第二吸收电容C2，如此就会造成第二IGBT模块Q2和第三IGBT模块Q3有双倍BUS电压的峰值电压，Vbus电压是指第一BUS电容C3或者第二BUS电容C4的电压，第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2、第三IGBT模块Q3、第四IGBT模块Q4应用时由于效率等原因按单倍Vbus电压选型，从而引发不间断电源器件第二IGBT模块Q2或者第三IGBT模块Q3的损毁风险。
双倍Vbus峰值电压形成原因如下：如限流发生在正弦波正半周，第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2、第三IGBT模块Q3、第四IGBT模块Q4全关断，C点由于第一吸收电容C1及第一二极管D1寄生电容的作用为正Vbus电压，输出电感L经第三IGBT模块Q3、第四IGBT模块Q4二极管续流，输出电感L左侧M点为负Vbus电压，故第二IGBT模块Q2承受双倍Vbus电压；如限流发生在正弦波负半周，则为第三IGBT模块Q3承受双倍Vbus电压。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不间断电源三电平限流电路及其控制方法，能够降低器件损坏风险，对输出负载冲击限制要求降低，提高产品的可靠性，解决了现有技术中出现的问题。
本发明所述的不间断电源三电平限流电路，包括第一BUS电容、第二BUS电容、输出电感和输出电容，其中第一BUS电容和第二BUS电容相串联后连接输出电感和输出电容，电路还包括第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块、第四IGBT模块、第五IGBT模块和第六IGBT模块，其中第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块和第四IGBT模块相串联形成回路，且回路的一侧连接第一BUS电容和第二BUS电容，另一侧连接输出电感和输出电容，第一IGBT模块和第二IGBT模块的外部并联第五IGBT模块，第三IGBT模块和第四IGBT模块的外部并联第六IGBT模块，第五IGBT模块和第六TGBT模块相连。
所述的第一BUS电容的正极和第一IGBT模块的C级相连，第一IGBT模块的E极、第二IGBT模块的C极和第五IGBT模块的C极相连，第五IGBT模块的E极与第一BUS电容的负极、第六IGBT模块的C极、第二BUS电容的正极结于N点，第四IGBT模块的E极与第二BUS电容的负极相连，第三IGBT模块的E极、第四IGBT模块的C极与第六TGBT模块的E极相连，第二IGBT模块的E极与第三IGBT模块的C极和输出电感一侧相连于M点，输出电感另一侧与输出电容的一侧相连，输出电容另一侧接于N点。
所述的电路还包括第一吸收电容和第二吸收电容，其中第一吸收电容并联在第五IGBT模块的外部，第二吸收电容并联在第六IGBT模块的外部。
本发明所述的不间断电源三电平限流电路的控制方法，包括以下步骤：
(1)当输出电感(L)的实时电流采样值I的绝对值>Iset，Iset为预设电流值，触发限流逻辑进入硬件中断程序；
(2)当输出电感的实时电流采样值I为正值，则触发限流发生在正弦波正半周，则第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块和第四IGBT模块全关断，第五IGBT模块开通，第六IGBT模块保持关断，电流经第三IGBT模块和第四IGBT模块中的二极管续流，第一吸收电容经第五IGBT模块释放能量；
(3)计时1us后关断第五IGBT模块，第一吸收电容释放能量完后即关断第五IGBT模块，保证可靠性；
(4)计时(T-3)us后第一IGBT模块、第二IGBT模块恢复开关并开通第六IGBT模块，电流经第一IGBT模块、第二IGBT模块二极管续流，第二吸收电容经第六IGBT模块释放能量，其中T为电流限流点跌至零的最小时间；
(5)在计时1us后关断第六IGBT模块，此时第五IGBT模块、第六IGBT模块同时关断，恢复到正常逻辑。
所述的方法还包括以下步骤：
(11)(11)当输出电感的实时电流采样值I为负值，即(-I)>Iset，则触发限流发生在正弦波负半周，-I为正，Iset为正值，则触发限流在正弦波负半周，则第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块和第四IGBT模块全关断，第六IGBT模块开通，第五IGBT模块保持关断；
(12)在计时1us后关断第六IGBT模块，第二吸收电容释放能量完后即关断第六IGBT模块，保证可靠性；
(13)在计时(T-3)us后第三IGBT模块和第四IGBT模块恢复开关并开通第五IGBT模块；
(14)在计时1us后关断第五IGBT模块，此时第五IGBT模块、第六IGBT模块同时关断，恢复到正常逻辑。
所述的步骤(1)中除触发限流逻辑外即输出电感的实时电流采样值I的绝对值小于Iset，则第五IGBT模块不动作，第六IGBT模块不动作，这时第五IGBT模块的体二极管发挥作用，第六IGBT模块的体二极管发挥作用。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明所述的不间断电源三电平限流电路及其控制方法，电路中引进第五IGBT模块和第六IGBT模块后即可通过控制第五IGBT模块和第六IGBT模块开关的方式实现对第一吸收电容和第二吸收电容的放电过程，避免了第二IGBT模块和第三IGBT模块的有双倍Vbus的峰值电压的情况，能够有效降低器件损坏风险，对输出负载冲击限制要求降低，提高产品的可靠性，解决了现有技术中出现的问题。
附图说明
图1为现有技术中电源三电平限流电路图；
图2为本发明中电源三电平限流电路图；
图3为本发明电源三电平限流控制方法中正弦波正半周限流关断电流回路示意图；
图4为本发明电源三电平限流控制方法中正弦波正半周限流恢复开通电流回路示意图；
图5为本发明电源三电平限流控制方法中时间T的计算模型；
图6为本发明中电源三电平限流控制方法的流程图；
图中：Q1、第一IGBT模块；Q2、第二IGBT模块；Q3、第三IGBT模块；Q4、第四IGBT模块；Q5、第五IGBT模块；C1、第一吸收电容；C2、第二吸收电容；C3、第一BUS电容；C4、第一BUS电容；C5、输出电容；D1、第一二极管；D2、第二二极管；L、输出电感。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
如图2所示，本发明所述的不间断电源三电平限流电路，包括第一BUS电容C3、第二BUS电容C4、输出电感L和输出电容C5，其中第一BUS电容C3和第二BUS电容C4相串联后连接输出电感L和输出电容C5，其特征在于：所述的电路还包括第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2、第三IGBT模块Q3、第四IGBT模块Q4、第五IGBT模块Q5和第六IGBT模块Q6，其中第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2、第三IGBT模块Q3和第四IGBT模块Q4相串联形成回路，且回路的一侧连接第一BUS电容C3和第二BUS电容C4，另一侧连接输出电感L和输出电容C5，第一IGBT模块Q1和第二IGBT模块Q2的外部并联第五IGBT模块Q5，第三IGBT模块Q3和第四IGBT模块Q4的外部并联第六IGBT模块Q6，第五IGBT模块Q5和第六TGBT模块Q6相连。
为了进一步说明上述实施例，第一BUS电容C3的正极和第一IGBT模块Q1的C级相连，第一IGBT模块Q1的E极、第二IGBT模块Q2的C极和第五IGBT模块Q5的C极相连，第五IGBT模块Q5的E极与第一BUS电容C3的负极、第六IGBT模块Q6的C极、第二BUS电容C4的正极结于N点，第四IGBT模块Q4的E极与第二BUS电容C4的负极相连，第三IGBT模块Q3的E极、第四IGBT模块Q4的C极与第六TGBT模块Q6的E极相连，第二IGBT模块Q2的E极与第三IGBT模块Q3的C极和输出电感L一侧相连于M点，输出电感L另一侧与输出电容C5的一侧相连，输出电容C5另一侧接于N点。
为了进一步说明上述实施例，电路还包括第一吸收电容C1和第二吸收电容C2，其中第一吸收电容C1并联在第五IGBT模块Q5的外部，第二吸收电容C2并联在第六IGBT模块Q6的外部。
现有技术中第一二极管D1和第二二极管D2无法实现限流情况下对第一吸收电容C1和第二吸收电容C2的放电，电路中引进第五IGBT模块Q5和第六IGBT模块Q6后即可通过控制第五IGBT模块Q5和第六IGBT模块Q6开关的方式实现对第一吸收电容C1和第二吸收电容C2的放电过程，定义第一BUS电容C3和第二BUS电容C4上电压为Vbus，通过放空第一吸收电容C1和第二吸收电容C2，避免了第二IGBT模块Q2和第三IGBT模块Q3的有双倍的Vbus应力的情况。
实施例2：
本发明所述的不间断电源三电平限流电路的控制方法，如图2-6所示，包括以下步骤：
(1)当输出电感L的实时电流采样值I的绝对值>Iset，Iset为预设电流值，触发限流逻辑进入硬件中断程序；
(2)当输出电感(L)的实时电流采样值I为正值，则触发限流发生在正弦波正半周，
则第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2、第三IGBT模块Q3和第四IGBT模块Q4全关断，第五IGBT模块Q5开通，第六IGBT模块Q6保持关断，电流经第三IGBT模块Q3和第四IGBT模块Q4中的二极管续流，第一吸收电容C1经第五IGBT模块Q5释放能量；
(3)计时1us后关断第五IGBT模块Q5，第一吸收电容释放能量完后即关断第五IGBT模块Q5，保证可靠性；
(4)计时(T-3)us后第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2恢复开关并开通第六IGBT模块Q6，电流经第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2二极管续流，第二吸收电容C2经第六IGBT模块Q6释放能量，其中T为电流限流点跌至零的最小时间；
(5)在计时1us后关断第六IGBT模块Q6，此时第五IGBT模块Q5、第六IGBT模块Q6同时关断，恢复到正常逻辑。
Iset为输出电感的预设电流值，即为不间断电源额定输出电流的300％(保证输出带载能力)，Iset为正值。
输出电感L的实时电流采样值I可能为正直或者负值，如果触发限流发生在正弦波正半周则I为正值，则I>Iset，如果触发限流发生在正弦波负半周则I为负值，则-I>Iset。结合图1说明：现有技术中，定义第一BUS电容C3和第二BUS电容C4上电压为Vbus，双倍Vbus电压应力形成原因如下：如限流发生在正弦波正半周，第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2、第三IGBT模块Q3和第四IGBT模块Q4全关断，C点由于第一吸收电容C1及第一二极管D1寄生电容的作用为Vbus电压，输出电感L经第三IGBT模块Q3、第四IGBT模块Q4二极管续流，输出电感L左侧M点为-Vbus电压，故第二IGBT模块Q2承受双倍Vbus电压；如限流发生在正弦波负半周，则为第三IGBT模块Q3承受双倍Vbus电压；通过本实施例的实施解决了第二IGBT模块Q2承受双倍Vbus电压的问题，避免了第二IGBT模块Q2的损坏。
第一吸收电容C1或者第二吸收电容C2的释放时间定义为1us的理由：
由于第一吸收电容C1或者第二吸收电容C2为spike吸收电容，其容值极小，容值皆在100nF以下，设第一吸收电容C1、第五IGBT模块Q5通路和第二吸收电容C2、第六IGBT模块Q6通路的阻抗为1欧姆，则时间常数τ＝R*C＝100ns，放空第一吸收电容C1或者第二吸收电容C2的时间为5倍的时间常数，在500ns以内可完全放空spike吸收电容，增加100％的余量，所以第一吸收C1经第五IGBT模块Q5释放或者第二吸收电容C2经第六IGBT模块Q6释放的时间设定为1us。
T的计算方式如下：计算从电流限流点跌至零的最小时间，对图5模型进行简化，输出电感L对输出电容C5充电，可近似认为输出电容C5短路，负载满载时阻值很小近似短路，如电感值测量为Lp,定义第一BUS电容C3和第二BUS电容C4上电压为Vbus，则图6中电容电压为-Vbus，则输出电感L电流跌至零的Tp＝Lp*Iset/Vbus,留取余量，T取Tp的60％，T＝0.6*Lp*Iset/Vbus。
实施例3：
在实施例2的基础上，如图6所示，本发明所述的不间断电源三电平限流电路的控制方法，还包括以下步骤：
(12)当输出电感L的实时电流采样值I为负值，即-I>Iset，则触发限流发生在正弦波负半周，-I为正，Iset为正值，则第一IGBT模块Q1、第二IGBT模块Q2、第三IGBT模块Q3和第四IGBT模块Q4全关断，第六IGBT模块Q6开通，第五IGBT模块Q5保持关断；
(13)在计时1us后关断第六IGBT模块Q6，第二吸收电容C2释放能量完后即关断第六IGBT模块Q6，保证可靠性；
(14)在计时T-3us后第三IGBT模块Q3和第四IGBT模块Q4恢复开关并开通第五IGBT模块Q5；
(15)在计时1us后关断第五IGBT模块Q5，此时第五IGBT模块Q5、第六IGBT模块Q6同时关断，恢复到正常逻辑。
通过本实施例解决了第三IGBT模块Q3承受双倍Vbus电压的问题，避免了第三IGBT模块Q3的损坏。
为了进一步说明上述实施例，步骤(1)中除触发限流逻辑外即输出电感L的实时电流采样值I的绝对值小于Iset，则第五IGBT模块Q5不动作，第六IGBT模块Q6不动作，这时第五IGBT模块Q5的体二极管发挥作用，第六IGBT模块Q6的体二极管发挥作用。
采用以上结合附图描述的本发明的实施例的不间断电源三电平限流电路及其控制方法，能够降低器件损坏风险，对输出负载冲击限制要求降低，提高产品的可靠性，解决了现有技术中出现的问题。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种不间断电源三电平限流电路的控制方法，其特征在于：所述的不间断电源三电平限流电路包括第一BUS电容(C3)、第二BUS电容(C4)、输出电感(L)和输出电容(C5)，其中第一BUS电容(C3)和第二BUS电容(C4)相串联后连接输出电感(L)和输出电容(C5)，电路还包括第一IGBT模块(Q1)、第二IGBT模块(Q2)、第三IGBT模块(Q3)、第四IGBT模块(Q4)、第五IGBT模块(Q5)和第六IGBT模块(Q6)，其中第一IGBT模块(Q1)、第二IGBT模块(Q2)、第三IGBT模块(Q3)和第四IGBT模块(Q4)相串联形成回路，且回路的一侧连接第一BUS电容(C3)和第二BUS电容(C4)，另一侧连接输出电感(L)和输出电容(C5)，第一IGBT模块(Q1)和第二IGBT模块(Q2)的外部并联第五IGBT模块(Q5)，第三IGBT模块(Q3)和第四IGBT模块(Q4)的外部并联第六IGBT模块(Q6)，第五IGBT模块(Q5)和第六TGBT模块(Q6)相连；
第一BUS电容(C3)的正极和第一IGBT模块(Q1)的C级相连，第一IGBT模块(Q1)的E极、第二IGBT模块(Q2)的C极和第五IGBT模块(Q5)的C极相连，第五IGBT模块(Q5)的E极与第一BUS电容(C3)的负极、第六IGBT模块(Q6)的C极、第二BUS电容(C4)的正极结于N点，第四IGBT模块(Q4)的E极与第二BUS电容(C4)的负极相连，第三IGBT模块(Q3)的E极、第四IGBT模块(Q4)的C极与第六TGBT模块(Q6)的E极相连，第二IGBT模块(Q2)的E极与第三IGBT模块(Q3)的C极和输出电感(L)一侧相连于M点，输出电感(L)另一侧与输出电容(C5)的一侧相连，输出电容(C5)另一侧接于N点；
电路还包括第一吸收电容(C1)和第二吸收电容(C2)，其中第一吸收电容(C1)并联在第五IGBT模块(Q5)的外部，第二吸收电容(C2)并联在第六IGBT模块(Q6)的外部；
所述的控制方法包括以下步骤：
(1)当输出电感(L)的实时电流采样值I的绝对值>Iset，Iset为预设电流值，触发限流逻辑进入硬件中断程序；
(2)当输出电感(L)的实时电流采样值I为正值，则触发限流发生在正弦波正半周，则第一IGBT模块(Q1)、第二IGBT模块(Q2)、第三IGBT模块(Q3)和第四IGBT模块(Q4)全关断，第五IGBT模块(Q5)开通，第六IGBT模块(Q6)保持关断，电流经第三IGBT模块(Q3)和第四IGBT模块(Q4)中的二极管续流，第一吸收电容(C1)经第五IGBT模块(Q5)释放能量；
(3)计时1us后关断第五IGBT模块(Q5)，第一吸收电容(C1)释放能量完后即关断第五IGBT模块(Q5)，保证可靠性；
(4)计时(T-3)us后第一IGBT模块(Q1)、第二IGBT模块(Q2)恢复开关并开通第六IGBT模块(Q6)，电流经第一IGBT模块(Q1)、第二IGBT模块(Q2)二极管续流，第二吸收电容(C2)经第六IGBT模块(Q6)释放能量，其中T为电流限流点跌至零的最小时间；
(5)在计时1us后关断第六IGBT模块(Q6)，此时第五IGBT模块(Q5)、第六IGBT模块(Q6)同时关断，恢复到正常逻辑。
2.根据权利要求1所述的不间断电源三电平限流电路的控制方法，其特征在于：所述的控制方法还包括以下步骤：
(11)当输出电感(L)的实时电流采样值I为负值，即(-I)>Iset，则触发限流发生在正弦波负半周，-I为正，Iset为正值，则第一IGBT模块(Q1)、第二IGBT模块(Q2)、第三IGBT模块(Q3)和第四IGBT模块(Q4)全关断，第六IGBT模块(Q6)开通，第五IGBT模块(Q5)保持关断；
(12)在计时1us后关断第六IGBT模块(Q6)，第二吸收电容(C2)释放能量完后即关断第六IGBT模块(Q6)，保证可靠性；
(13)在计时(T-3)us后第三IGBT模块(Q3)和第四IGBT模块(Q4)恢复开关并开通第五IGBT模块(Q5)；
(14)在计时1us后关断第五IGBT模块(Q5)，此时第五IGBT模块(Q5)、第六IGBT模块(Q6)同时关断，恢复到正常逻辑。
3.根据权利要求1所述的不间断电源三电平限流电路的控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)中除触发限流逻辑外即输出电感(L)的实时电流采样值I的绝对值小于Iset，则第五IGBT模块(Q5)不动作，第六IGBT模块(Q6)不动作，这时第五IGBT模块(Q5)的体二极管发挥作用，第六IGBT模块(Q6)的体二极管发挥作用。
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