CN212323718U - 用于i型三电平apf的短路保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了用于I型三电平APF的短路保护装置，其可做到先关外管再关内管，实现短路保护；包括拓扑电路，拓扑电路包括IGBT管T1～T4、续流二极管D1～D4、钳位二极管D5、D6，IGBT管T1、T4作为外管，IGBT管T2、T3作为内管，其还包括短路故障检测电路、故障信号逻辑电路、驱动信号逻辑电路，IGBT管的集电极和发射极之间均连接有短路故障检测电路，短路故障检测电路的输出端均接于故障信号逻辑电路的输入端，故障信号逻辑电路的输出端与驱动信号逻辑电路的输入端相连接；短路故障检测电路，用以产生对应IGBT管的故障信号；故障信号逻辑电路，用以将IGBT管T1～T4发出的故障信号汇总，生成总故障信号；驱动信号逻辑电路，用以将作为内管的IGBT管T2、IGBT管T3实现延时关断。

Description

用于I型三电平APF的短路保护装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体为用于I型三电平APF的短路保护装置。

背景技术

随着太阳能、UPS技术的不断发展和市场的不断扩大，对逆变器效率的要求也越来越被制造商所重视，因此，三电平的拓扑结构便应运而生，众所周知，与传统的两电平结构相比，三电平结构除了使单个IGBT管阻断电压减半之外，还具有谐波小、损耗低、效率高等优势，因此，三电平APF得到了广泛应用；其中，在实际应用中，I型三电平APF在发生短路故障或者过流故障时，需要先关断外管，再关断内管，这样的做法原因在于：

(1)、受限于I型三电平IGBT的工艺、结构，单个IGBT管耐压不会很高，常见的耐压最高为650V，远达不到两电平IGBT的1200V甚至1700V的耐压等级，而以工业三相400V级电压为例，三电平***直流侧整流后的电压已经达到了653V，而在实际应用中，母线电压一般都超过750V；

(2)、如果先关断内管，那么内管IGBT就会承受整个母线电压，内管会因过压而损坏，通常IGBT过压会击穿，后续还可能会引起炸模块的情况发生；

(3)、如果先关断两个外管，那么外管的电压会被钳位在一半的母线电压上，不会有过压的风险，此时再去关断内管就会很安全。

基于此的I型三电平APF的传统故障保护做法是，通过驱动IC芯片中自带的短路保护检测模块，其可在检测到故障信号后，立即关闭故障管，同时将故障信号传递至MCU，触发中断，MCU再去关闭其余的管子，传输信号的延时加上中断响应的时间，一般在十几个微秒甚至更长时间；然而当短路发生在内管时，内管会优先自我关断，也就无法做到先关外管再关内管。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提供了用于I型三电平APF的短路保护装置，其可做到先关外管再关内管，实现短路保护。

其技术方案是这样的，用于I型三电平APF的短路保护装置，其包括拓扑电路，所述拓扑电路包括IGBT管T1、T2、T3、T4、续流二极管D1、D2、D3、D4以及钳位二极管D5、D6，所述IGBT管T1、IGBT管T4作为外管，所述IGBT管T2、IGBT管T3作为内管，其特征在于：其还包括短路故障检测电路、故障信号逻辑电路、驱动信号逻辑电路，每个所述IGBT管的集电极和发射极之间均连接有所述短路故障检测电路，所述短路故障检测电路的输出端均接于所述故障信号逻辑电路的输入端，所述故障信号逻辑电路的输出端与所述驱动信号逻辑电路的输入端相连接；

其中，所述短路故障检测电路，用以产生对应的所述IGBT管的故障信号；

所述故障信号逻辑电路，用以将所述IGBT管T1、T2、T3、T4发出的故障信号汇总，生成一个总故障信号；

所述驱动信号逻辑电路，用以将作为内管的所述IGBT管T2、IGBT管T3实现延时关断。

其进一步特征在于：

所述拓扑电路还包括电容C1、C2、电感L1，所述IGBT管T1的集电极与所述电容C1的正极端、续流二极管D1的负极均相连接，所述电容C1的负极端与所述电容C2的正极端、钳位二极管D5的正极、钳位二极管D6的负极均相连接，且所述钳位二极管D5的正极、钳位二极管D6的负极相连接，所述电容C2的负极端与所述IGBT管T4的发射极、续流二极管D4的负极均相连接，所述IGBT管T1的发射极与所述续流二极管D1的正极、续流二极管D2、钳位二极管D5的负极、IGBT管T2的集电极均相连接，所述IGBT管T2的发射极与所述续流二极管D2的正极、续流二极管D3的负极、IGBT管T3的集电极、电感L1的一端均相连接，所述IGBT管T3的发射极与所述续流二极管D3、钳位二极管D6的正极、续流二极管D4的负极、IGBT管T4的集电极均相连接，且所述IGBT管T1、T2、T3、T4的栅极均作为脉宽调制信号端，分为PWM1、PWM2、PWM3、PWM4；

每个所述短路故障检测电路均包括恒流源I1、比较器U1、反相器U2、U3、电容C3、稳压管VD1、限流电阻R1、二极管D7、MOS管Q1，所述反相器U2的输出端作为所述短路故障检测电路的故障信号输出端，所述恒流源I1的一端与所述比较器U1的正输入端、电容C3、电阻R1的一端、稳压管VD1的负极、MOS管Q1的漏极均相连接，所述恒流源I1的另一端接地，所述电阻R1的另一端经所述二极管D7后接于所述IGBT管的集电极，所述电容C3的另一端与所述稳压管VD1的正极相连后接于所述IGBT管的发射极，所述反相器U2的输入端连接所述比较器U1的输出端，所述IGBT管的栅极连接所述反相器U3的输入端，所述反相器U3的输出端与所述MOS管Q1的栅极相连接，所述MOS管Q1的源极接地，所述比较器U1的负输入端连接预设短路保护电压V0；

所述故障信号逻辑电路包括与门U1A、U1B、U1C，所述IGBT管T1、T2对应的所述短路故障检测电路生成的故障信号均接于所述与门U1A的输入端，所述IGBT管T3、T4对应的所述短路故障检测电路生成的故障信号均接于所述与门U1B的输入端，所述与门U1A、U1B的输出端均接于所述与门U1C的输入端，所述与门U1C的输出端作为总故障信号端；

所述驱动信号逻辑电路包括与门U2A、U2B、U2C、U2D、延时单元Delay1，所述延时单元Delay1是用以产生延时信号；所述与门U2A的输入端分别接入所述故障信号逻辑电路生成的总故障信号和所述IGBT管T1对应的脉宽输入信号PWM_1,且通过所述总故障信号和所述IGBT管T1对应的脉宽输入信号PWM_1相与运算后生成所述脉宽调制信号PWM1，所述与门U2B的输入端分别接入所述故障信号逻辑电路生成的总故障信号和所述IGBT管T4对应的脉宽输入信号PWM_4,且通过所述总故障信号和所述IGBT管T4对应的脉宽输入信号PWM_4相与运算后生成所述脉宽调制信号PWM4，所述与门U2C的输入端分别接入所述IGBT管T2对应的脉宽输入信号PWM_2以及经过所述延时单元Delay1延时的所述总故障信号，且通过所述脉宽输入信号PWM_2以及经过所述延时单元Delay1延时的所述总故障信号相与运算后生成所述脉宽调制信号PWM2，所述与门U2D的输入端分别接入所述IGBT管T3对应的脉宽输入信号PWM_3以及经过所述延时单元Delay1延时的所述总故障信号，且通过所述脉宽输入信号PWM_3以及经过所述延时单元Delay1延时的所述总故障信号相与运算后生成所述脉宽调制信号PWM3；

所述延时单元Delay1延时不超过所述IGBT管允许的最大短路时间。

本实用新型的有益效果是，其通过设置短路故障检测电路、故障信号逻辑电路、驱动信号逻辑电路，则当发生短路时，可对作为内管的IGBT管T2、IGBT管T3实现延时关断，从而实现外管先关断，内管后关断，短路保护的目的，具有较好的经济使用价值。

附图说明

图1是本实用新型的拓扑电路的电路原理图；

图2是本实用新型中检测IGBT管T1时的短路故障检测电路的电路原理图；

图3是本实用新型的故障信号逻辑电路的电路原理图；

图4是本实用新型的驱动信号逻辑电路的电路原理图。

具体实施方式

如图1～图4所示，用于I型三电平APF的短路保护装置，其包括拓扑电路，拓扑电路包括顺序串联连接的IGBT管T1、T2、T3、T4、续流二极管D1、D2、D3、D4以及钳位二极管D5、D6，IGBT管T1、IGBT管T4作为外管，IGBT管T2、IGBT管T3作为内管，其还包括短路故障检测电路、故障信号逻辑电路、驱动信号逻辑电路，每个IGBT管的集电极和发射极之间均连接有短路故障检测电路，短路故障检测电路的输出端均接于故障信号逻辑电路的输入端，故障信号逻辑电路的输出端与驱动信号逻辑电路的输入端相连接；

其中，短路故障检测电路，用以产生对应的IGBT管的故障信号，短路故障检测电路设有四个，分别记为短路故障检测电路SC Detection 1、SC Detection2、SC Detection3、SC Detection4；而IGBT管T1、T2、T3、T4发出的故障信号分别记为FAULT1、FAULT2、FAULT3、FAULT4；

故障信号逻辑电路，用以将IGBT管T1、T2、T3、T4发出的故障信号汇总，生成一个总故障信号FAULT，本实施例中，总故障信号FAULT低有效，即正常运行时，总故障信号FAULT为高电平(逻辑1)，故障时变为低电平(逻辑0)；

驱动信号逻辑电路，用以将作为内管的IGBT管T2、IGBT管T3实现延时关断。

拓扑电路还包括电容C1、C2、电感L1，IGBT管T1的集电极与电容C1的正极端、续流二极管D1的负极均相连接，电容C1的负极端与电容C2的正极端、钳位二极管D5的正极、钳位二极管D6的负极均相连接，且钳位二极管D5的正极、钳位二极管D6的负极相连接，电容C2的负极端与IGBT管T4的发射极、续流二极管D4的负极均相连接，IGBT管T1的发射极与续流二极管D1的正极、续流二极管D2、钳位二极管D5的负极、IGBT管T2的集电极均相连接，IGBT管T2的发射极与续流二极管D2的正极、续流二极管D3的负极、IGBT管T3的集电极、电感L1的一端均相连接，IGBT管T3的发射极与续流二极管D3、钳位二极管D6的正极、续流二极管D4的负极、IGBT管T4的集电极均相连接，且IGBT管T1、T2、T3、T4的栅极均作为脉宽调制信号端，分为PWM1、PWM2、PWM3、PWM4。

每个短路故障检测电路均包括恒流源I1、比较器U1、反相器U2、U3、电容C3、稳压管VD1、限流电阻R1、二极管D7、MOS管Q1，反相器U2的输出端作为短路故障检测电路的故障信号输出端，恒流源I1的一端与比较器U1的正输入端、电容C3、电阻R1的一端、稳压管VD1的负极、MOS管Q1的漏极均相连接，恒流源I1的另一端接地，电阻R1的另一端经二极管D7后接于IGBT管的集电极，电容C3的另一端与稳压管VD1的正极相连后接于IGBT管的发射极，反相器U2的输入端连接比较器U1的输出端，IGBT管的栅极连接反相器U3的输入端，反相器U3的输出端与MOS管Q1的栅极相连接，MOS管Q1的源极接地，比较器U1的负输入端连接预设短路保护电压V0；

其中，以检测IGBT管T1为例，如图2所示，当脉宽调制信号PWM1为低电平时，MOS管Q1开通，比较器U1的“+”输入端被短接至GND；当脉宽调制信号PWM1为高电平时(即IGBT管T1开通)，MOS管Q1关断，恒流源I1对电容C3充电，若IGBT管T1无短路故障发生，则A、B点电压(即IGBT管T1饱和压降)低于预设短路保护电压V0，电容C3电压被充电到一定程度时，会被二极管D7钳位(电容C3最终电压为A点电压加上二极管D7正向压降，此电压应小于IGBT管T1的饱和压降)，无法继续上升；若发生短路现象，IGBT管T1退饱和，A、B间电压快速上升，二极管D7反向截至，电容C3点电压被恒流源I1充电迅速升高，直到超过预设短路保护电压V0，比较器U1输出高电平，反相器U2输出的故障信号FAULT1发生翻转，变为低电平；而二极管D7也可根据实际需要使用多颗快恢复二极管串联，从而可实现缩短保护动作时间。

故障信号逻辑电路包括与门U1A、U1B、U1C，IGBT管T1、T2对应的短路故障检测电路生成的故障信号FAULT1、FAULT2均接于与门U1A的输入端，IGBT管T3、T4对应的短路故障检测电路生成的故障信号FAULT3、FAULT4均接于与门U1B的输入端，与门U1A、U1B的输出端均接于与门U1C的输入端，与门U1C的输出端作为总故障信号端。

驱动信号逻辑电路包括与门U2A、U2B、U2C、U2D、延时单元Delay1，延时单元Delay1，在接入故障信号逻辑电路生成的总故障信号后，用以产生延时信号，从而使得IGBT管T2、T3延时关断，而延时单元Delay1可通过现有软件程序或是现有延时模块实现信号延时；与门U2A的输入端分别接入故障信号逻辑电路生成的总故障信号FAULT和IGBT管T1对应的脉宽输入信号PWM_1,且通过总故障信号FAULT和IGBT管T1对应的脉宽输入信号PWM_1相与运算后生成脉宽调制信号PWM1，如总故障信号FAULT是高电平(即逻辑1)，则脉宽输入信号PWM_1和总故障信号FAULT与运算后不变，反之，总故障信号FAULT为低电平时(逻辑0)，则脉宽输入信号PWM_1和总故障信号FAULT与运算后就变成了低电平，IGBT管T1无法开通；与门U2B的输入端分别接入故障信号逻辑电路生成的总故障信号FAULT和IGBT管T4对应的脉宽输入信号PWM_4,且通过总故障信号FAULT和IGBT管T4对应的脉宽输入信号PWM_4相与运算后生成脉宽调制信号PWM4，与门U2C的输入端分别接入IGBT管T2对应的脉宽输入信号PWM_2以及经过延时单元Delay1延时的总故障信号FAULT，且通过脉宽输入信号PWM_2以及经过延时单元Delay1延时的总故障信号FAULT相与运算后生成脉宽调制信号PWM2，与门U2D的输入端分别接入IGBT管T3对应的脉宽输入信号PWM_3以及经过延时单元Delay1延时的总故障信号FAULT，且通过脉宽输入信号PWM_3以及经过延时单元Delay1延时的总故障信号FAULT相与运算后生成脉宽调制信号PWM3；延时单元Delay1延时不超过IGBT管允许的最大短路时间；其中，脉宽输入信号PWM_1、PWM_2、PWM_3、PWM_4均是***生成的信号。

用于I型三电平APF的短路保护方法，其包括以下步骤：

S1、通过短路故障检测电路SC Detection 1、SC Detection2、SC Detection3、SCDetection4分别对应检测IGBT管T1、T2、T3、T4开通后的饱和压降，如果发生短路，则对应的饱和压降会升高，达到设定阈值后，对应的IGBT管的故障信号会电平翻转，即由高电平变为低电平；

S2、IGBT管T1、T2、T3、T4的故障信号对应接入故障信号逻辑电路后，只要有IGBT管发生故障，即一个或是多个故障信号发生翻转，由高电平变为低电平时，则最终生成一个总故障信号FAULT，且总故障信号FAULT电平翻转；

S3、当总故障信号FAULT由高电平变为低电平时，脉宽调制信号PWM1、脉宽调制信号PWM4会被拉低关断，且由于与门U2C、U2D的前级输入端均接入有延时单元Delay1，则IGBT管T2、T3对应的脉宽调制信号PWM2、脉宽调制信号PWM3会延时关断，从而实现外管先关断，内管后关断；其中，逻辑门器件具有低延时的特性(ps级)，则整个短路保护过程的延时只有信号传输的延时加上逻辑门器件的延时。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.用于I型三电平APF的短路保护装置，其包括拓扑电路，所述拓扑电路包括IGBT管T1、T2、T3、T4、续流二极管D1、D2、D3、D4以及钳位二极管D5、D6，所述IGBT管T1、IGBT管T4作为外管，所述IGBT管T2、IGBT管T3作为内管，其特征在于：其还包括短路故障检测电路、故障信号逻辑电路、驱动信号逻辑电路，每个所述IGBT管的集电极和发射极之间均连接有所述短路故障检测电路，所述短路故障检测电路的输出端均接于所述故障信号逻辑电路的输入端，所述故障信号逻辑电路的输出端与所述驱动信号逻辑电路的输入端相连接；

其中，所述短路故障检测电路，用以产生对应的所述IGBT管的故障信号；

所述故障信号逻辑电路，用以将所述IGBT管T1、T2、T3、T4发出的故障信号汇总，生成一个总故障信号；

所述驱动信号逻辑电路，用以将作为内管的所述IGBT管T2、IGBT管T3实现延时关断。

2.根据权利要求1所述的用于I型三电平APF的短路保护装置，其特征在于：所述拓扑电路还包括电容C1、C2、电感L1，所述IGBT管T1的集电极与所述电容C1的正极端、续流二极管D1的负极均相连接，所述电容C1的负极端与所述电容C2的正极端、钳位二极管D5的正极、钳位二极管D6的负极均相连接，且所述钳位二极管D5的正极、钳位二极管D6的负极相连接，所述电容C2的负极端与所述IGBT管T4的发射极、续流二极管D4的负极均相连接，所述IGBT管T1的发射极与所述续流二极管D1的正极、续流二极管D2、钳位二极管D5的负极、IGBT管T2的集电极均相连接，所述IGBT管T2的发射极与所述续流二极管D2的正极、续流二极管D3的负极、IGBT管T3的集电极、电感L1的一端均相连接，所述IGBT管T3的发射极与所述续流二极管D3、钳位二极管D6的正极、续流二极管D4的负极、IGBT管T4的集电极均相连接，且所述IGBT管T1、T2、T3、T4的栅极均作为脉宽调制信号端，分为PWM1、PWM2、PWM3、PWM4。

3.根据权利要求2所述的用于I型三电平APF的短路保护装置，其特征在于：每个所述短路故障检测电路均包括恒流源I1、比较器U1、反相器U2、U3、电容C3、稳压管VD1、限流电阻R1、二极管D7、MOS管Q1，所述反相器U2的输出端作为所述短路故障检测电路的故障信号输出端，所述恒流源I1的一端与所述比较器U1的正输入端、电容C3、电阻R1的一端、稳压管VD1的负极、MOS管Q1的漏极均相连接，所述恒流源I1的另一端接地，所述电阻R1的另一端经所述二极管D7后接于所述IGBT管的集电极，所述电容C3的另一端与所述稳压管VD1的正极相连后接于所述IGBT管的发射极，所述反相器U2的输入端连接所述比较器U1的输出端，所述IGBT管的栅极连接所述反相器U3的输入端，所述反相器U3的输出端与所述MOS管Q1的栅极相连接，所述MOS管Q1的源极接地，所述比较器U1的负输入端连接预设短路保护电压V0。

4.根据权利要求3所述的用于I型三电平APF的短路保护装置，其特征在于：所述故障信号逻辑电路包括与门U1A、U1B、U1C，所述IGBT管T1、T2对应的所述短路故障检测电路生成的故障信号均接于所述与门U1A的输入端，所述IGBT管T3、T4对应的所述短路故障检测电路生成的故障信号均接于所述与门U1B的输入端，所述与门U1A、U1B的输出端均接于所述与门U1C的输入端，所述与门U1C的输出端作为总故障信号端。

5.根据权利要求4所述的用于I型三电平APF的短路保护装置，其特征在于：所述驱动信号逻辑电路包括与门U2A、U2B、U2C、U2D、延时单元Delay1，所述延时单元Delay1是用以产生延时信号；所述与门U2A的输入端分别接入所述故障信号逻辑电路生成的总故障信号和所述IGBT管T1对应的脉宽输入信号PWM_1,且通过所述总故障信号和所述IGBT管T1对应的脉宽输入信号PWM_1相与运算后生成所述脉宽调制信号PWM1，所述与门U2B的输入端分别接入所述故障信号逻辑电路生成的总故障信号和所述IGBT管T4对应的脉宽输入信号PWM_4,且通过所述总故障信号和所述IGBT管T4对应的脉宽输入信号PWM_4相与运算后生成所述脉宽调制信号PWM4，所述与门U2C的输入端分别接入所述IGBT管T2对应的脉宽输入信号PWM_2以及经过所述延时单元Delay1延时的所述总故障信号，且通过所述脉宽输入信号PWM_2以及经过所述延时单元Delay1延时的所述总故障信号相与运算后生成所述脉宽调制信号PWM2，所述与门U2D的输入端分别接入所述IGBT管T3对应的脉宽输入信号PWM_3以及经过所述延时单元Delay1延时的所述总故障信号，且通过所述脉宽输入信号PWM_3以及经过所述延时单元Delay1延时的所述总故障信号相与运算后生成所述脉宽调制信号PWM3。

6.根据权利要求5所述的用于I型三电平APF的短路保护装置，其特征在于：所述延时单元Delay1延时不超过所述IGBT管允许的最大短路时间。

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