一种开关管控制方法、装置及逆变器与流程

本发明涉及通信电源技术领域，尤其是涉及一种应用在逆变器电路中的开关管控制方法、装置以及应用该开关管控制装置的逆变器。

背景技术：

逆变器是一种把直流电转换为交流电(dc/ac)的设备，逆变器的转换电路，通常由母线电容、逆变桥、输出滤波电路、控制器等组成，逆变桥通常由多个开关管桥臂组成，每个开关管桥臂上由两个或多个开关管组成，是逆变器的核心器件。

为了确保逆变器工作的可靠性，在各种工况下，都必须保证逆变器的开关管不被损坏，因此，为了避免流过开关管的电流过大损坏开关管，需要保证逆变器输出电流不会太大。目前常用的限流保护措施为逐波限流，具体来说，当检测电路检测到输出电流过大时，保护电路关断开关管桥臂中的开关管，以此来限制每个开关周期的最大电流，从而达到保护开关管的目的。

但是，在一些恶劣工况情况下，例如：负载突然增大、输出相间短路或其它电源短路等，由于输出滤波电路上存在滤波电感，开关管关断后，输出回路上的电流不会立刻变为零，而是通过开关管的反并体二极管给母线充电，从而造成母线电压升高，当母线电压上升到一定程度时，开关管的电压应力就会超过许可值，从而损坏开关管，目前通常通过减慢开关管开关速度的方式，以降低逆变器开关管电压应力，但这会引起开关管损耗增加，大幅降低系统效率和可靠性。

综上所述，现有技术中在恶劣工况下，通过减慢开关管开关速度，降低逆变器开关管电压应力的方式，不但引起开关管损耗增加，而且大幅降低系统效率和可靠性。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种开关管控制方法、装置及逆变器，用以解决现有技术中在恶劣工况下，逆变器中开关管电压应力超过许可值的问题，提高逆变器的工作可靠性，可以提高开关管开通与关断速度，减小损耗，提高系统效率。

本发明实施例技术方案如下：

一种开关管控制方法，包括：获取连接在多个开关管桥臂之间的母线两端的母线电压值以及流经滤波电路中电感的电流值，其中，所述多个开关管桥臂中每两个开关管桥臂为一组，一组开关管桥臂中两个开关管桥臂的一端分别与所述母线的两端相连接，另一端均与所述滤波电路相连接；根据预设多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系以及所述母线电压值所处的电压阈值区间，确定与所述母线电压值对应的电流限流值；根据流经电感中的电流值与所述电流限流值的关系，控制所述多个开关管桥臂中开关管的开启或关断。

一种开关管控制装置，该装置包括：采样单元，用于采集连接在多个开关管桥臂之间的母线两端的母线电压值以及流经滤波电路中电感的电流值，其中，所述多个开关管桥臂中每两个开关管桥臂为一组，一组开关管桥臂中两个开关管桥臂的一端分别与所述母线的两端相连接，另一端均与所述滤波电路相连接；处理单元，用于根据预设多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系以及所述母线电压值所处的电压阈值区间，确定与所述母线电压值对应的电流限流值；控制单元，用于根据流经电感中的电流值与所述电流限流值的关系，控制所述多个开关管桥臂中开关管的开启或关断。

另一种开关管控制装置，包括：母线电压采样电路，控制器、限流电路以及电感电流采样电路；所述母线电压采样电路用于采集母线电压值；所述控制器包括母线电压比较模块和电流限流值选择模块；所述限流电路用于将电流限流值与电感电流采样电路采集的电流值进行比较，并根据比较结果控制开关管的开通或关断；所述电感电流采样电路于采集流经滤波电路中电感的电流值。

一种逆变器，所述逆变器包括如上所述的开关管控制装置。

根据本发明实施例的技术方案，根据母线电压所处的电压阈值区间确定逆变器电流限流值，在母线电压过高时，减小电流限流值来减小逆变器的输出电流，以减小开关管两端因电流变化产生的尖峰电压，从而降低逆变器开关管的电压应力，大大提高了逆变器的工作可靠性，与现有技术中在恶劣工况下，通过减慢开关管开关速度，降低逆变器开关管电压应力的方式相比，能够提高开关管开通与关断速度，减小损耗，大大提高了逆变器效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例提供的开关管控制方法的示意流程图；

图2为本发明实施例中电压阈值区间与电流限流值对应关系的示意图；

图3为本发明实施例提供的三电平逆变器电路的结构框图；

图4为本发明实施例提供的一种开关管控制装置的结构框图；

图5为本发明实施例提供的另一种开关管控制装置的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本申请，并不用于限定本申请。

针对现有技术中恶劣工况下，通过减慢开关管开关速度，降低逆变器开关管电压应力的方式，不但引起开关管损耗增加，而且大幅降低系统效率和可靠性的问题，本发明实施例提供了一种开关管控制方案，在该方案中，根据母线电压所处的电压阈值区间确定逆变器电流限流值，在母线电压过高时，减小电流限流值来减小逆变器的输出电流，以减小开关管两端因电流变化产生的尖峰电压，从而降低逆变器开关管的电压应力，大大提高了逆变器的工作可靠性，与现有技术中在恶劣工况下，通过减慢开关管开关速度，降低逆变器开关管电压应力的方式相比，能够提高开关管开通与关断速度，减小损耗，大大提高了逆变器效率。

下面对本申请实施例进行详细说明。

(一)、本发明实施例首先提供了一种开关管控制方法

本发明实施例提供的开关管控制方法，如图1所示，包括：

步骤102，获取连接在多个开关管桥臂之间的母线两端的母线电压值以及流经滤波电路中电感的电流值，其中，多个开关管桥臂中每两个开关管桥臂为一组，一组开关管桥臂中两个开关管桥臂的一端分别与母线的两端相连接，另一端均与滤波电路相连接；

步骤104，根据预设多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系以及母线电压值所处的电压阈值区间，确定与母线电压值对应的电流限流值；

步骤106，根据流经电感中的电流值与电流限流值的关系，控制多个开关管桥臂中开关管的开启或关断。

需要说明的是，逆变器的开关管电压应力由平台电压和尖峰电压两部分组成，其中，平台电压由母线电压决定，尖峰电压是由开关管换流时di/dt作用在换流回路的漏感产生的，当逆变器输出很大电流时，开关管di/dt常常很大，导致产生很大的尖峰电压。

本发明实施例将母线电压和开关管尖峰电压进行综合控制，确定母线电压值所处的电压阈值区间，根据母线电压值所处的电压阈值区间确定电流限流值，该电流限流值产生的尖峰电压叠加母线电压后总电压应力不会超过开关管的电压应力许可值，进而根据该电流限流值和流经滤波电路中电感的电流值进行比较，根据比较结果对开关管的状态进行控制，从而限制流经滤波电路中电感的最大电流，以达到保护开关管的作用。

本发明实施例中预设多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系，在获取母线电压值之后，将该母线电压值与多个电压阈值区间的端点电压值进行比较，以确定母线电压值所处的电压阈值区间，进而确定母线电压值对应的电流限流值。具体实施时，将母线电压值与多个电压阈值区间的端点电压值进行比较，可以采用比较器实现，也可以由模数转换芯片将电压值转换为数字信号并由微处理器执行比较操作，当然，还可以采用现有技术中的其它方法，此处并不用于具体限定。

具体实施时，在确定母线电压值所处的电压阈值区间之后，确定母线电压值对应的电流限流值，可以通过模拟开关选择不同的电阻值来设定，也可以通过多个电流比较器来产生，还可以采用现有技术中的其它方法，此处并不用于具体限定。

值得说明的是，开关管的电压应力由平台电压和尖峰电压两部分组成，而平台电压由母线电压决定，而尖峰电压与逆变器的输出电流有关，且输出电流越大，尖峰电压越大，因此，为保证开关管的电压应力不超过许可值，当母线电压较大时，尖峰电压应较小，也即电流限流值应较小，反之，当母线电压较小时，尖峰电压可以较大，也即电流限流值可以较大，因此，较为优选地，电压阈值区间中的电压值越大，对应的电流限流值越小。

作为较为具体的实施例，如图2所示，图2示出了多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系，图2中母线电压值u5＞u4＞u3＞u2＞u1，而电流限流值i1＜i2＜i3＜i4＜i5，从图2中可以看出，在预设多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系中，电压阈值区间中的电压值越大，对应的电流限流值越小。

本发明实施例中根据预设多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系以及母线电压值所处的电压阈值区间，确定与母线电压值对应的电流限流值，包括：在确定预设多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系中任一电压阈值区间与母线电压值所处的电压阈值区间相同时，将该电压阈值区间对应的电流限流值确定为与母线电压值对应的电流限流值。

本发明实施例中根据流经电感中的电流值与电流限流值的关系，控制多个开关管桥臂中开关管的开启或关断，包括：当确定流经电感中的电流值大于或等于电流限流值时，控制多个开关管桥臂中开关管的关断；以及当确定流经电感中的电流值小于电流限流值时，控制多个开关管桥臂中开关管的开启。

具体实施时，根据流经电感中的电流值与电流限流值的关系，控制多个开关管桥臂中开关管的开启或关断，可以通过产生控制信号的方式实现，作为较为具体的实施例，当确定流经电感中的电流值大于或等于电流限流值时，产生第一控制信号，例如：高电平信号，控制多个开关管桥臂中开关管的关断；当确定流经电感中的电流值小于电流限流值时，产生第二控制信息，例如：低电平信号，控制多个开关管桥臂中开关管的开启。

作为较为具体的实施例，以三电平逆变器为例，当然，本发明实施例同样适用于二电平逆变器和多电平逆变器，如图3所示，三电平逆变器的电路，包括：母线电容c1、c2，逆变器主电路，逆变器输出滤波电路和负载。逆变器主电路包括开关管q1、q2组成的上桥臂，开关管q3、q4组成的下桥臂和二极管d5、d6。逆变器输出滤波电路包括：滤波电感l和滤波电容c。负载可以是无源负载，也可以是其他电源。

当逆变器处于正半周发波时，q1、q3互补发波，q2常通，q4常断，当出现恶劣工况时，获取母线电压值以及流经电感l的电流值，并根据母线电压值所处的电压阈值区间以及预设多个电压阈值区间与电流限流值的关系，确定该母线电压值对应的电流限流值，在流经电感l中的电流值大于或等于电流限流值时，外管q1、q4和内管q2、q3分别关断，此时电感l电流续流，通过q3、q4反并的体二极管d3、d4给母线电容c2充电，从而导致c2电压升高，母线电压升高使得与其对应的电流限流值减小，减小开关管应力。同样道理，恶劣工况下，在负半周时，电流通过q1、q2反并的体二极管d1、d2给母线电容c1充电，从而导致c1电压升高，母线电压升高使得与其对应的电流限流值减小，减小开关管应力。

作为另一较为具体的实施例，将电压阀值区间设为多级，对应每一级电压阈值区间分别设置电流限流值，并根据母线电压值和流经滤波电路中电感的电流值综合判断逆变器是否处于故障状态，如果确定逆变器处于故障状态，则关闭逆变器，从而保护逆变器开关管。

例如：电压阀值区间包括[u0，u1]和(u1，u2]，且u0＜u1＜u2，电流限流值为i1，根据母线电压值和流经滤波电路电感中的电流值控制逆变器的开关。

当母线电压u＜u1时，逆变器正常工作，电流限流值为i1；

当u1≤u＜u2时，若流经滤波电路电感中的电流值小于电流限流值i1，逆变器正常工作，这种情况下，母线电压加上电流限流值i1产生的尖峰电压不会超过开关管许可值；

当u1≤u＜u2时，若流经滤波电路电感中的电流值大于或等于电流限流值i1，此时判定逆变器处于故障状态，关闭逆变器，关断所有开关管，否则母线电压u持续上升，开关管总电压有可能超过开关管许可值；

当u2≤u时，此时判断逆变器处于故障状态，关闭逆变器，关断所有开关管。

(二)基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种开关管控制装置

图4示出了本发明实施例提供的一种开关管控制装置的结构，如图4所示，该装置包括：

采样单元402，用于采集连接在多个开关管桥臂之间的母线两端的母线电压值以及流经滤波电路中电感的电流值，其中，多个开关管桥臂中每两个开关管桥臂为一组，一组开关管桥臂中两个开关管桥臂的一端分别与母线的两端相连接，另一端均与滤波电路相连接；

处理单元404，用于根据预设多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系以及母线电压值所处的电压阈值区间，确定与母线电压值对应的电流限流值；

控制单元406，用于根据流经电感中的电流值与电流限流值的关系，控制多个开关管桥臂中开关管的开启或关断。

优选地，处理单元404，具体用于：在确定预设多个电压阈值区间与电流限流值的对应关系中任一电压阈值区间与母线电压值所处的电压阈值区间相同时，将该电压阈值区间对应的电流限流值确定为与母线电压值对应的电流限流值。

优选地，控制单元406，具体用于：当确定流经电感中的电流值大于或等于电流限流值时，控制多个开关管桥臂中开关管的关断；以及当确定流经电感中的电流值小于电流限流值时，控制多个开关管桥臂中开关管的开启。

本发明实施例提供的另一种开关管控制装置，如图5所示，包括：母线电压采样电路502，控制器504，限流电路506以及电感电流采样电路508且互相之间电连接，其中，母线电压采样电路502和电感电流采样电路508相当于图4中的采集单元402，母线电压采样电路502用于采集母线电压值，电感电流采样电路508用于采集流经滤波电路中电感的电流值，控制器504相当于图4中的处理单元404，控制器504包括：母线电压比较模块和电流限流值选择模块，母线电压比较模块用于确定母线电压值所处的电压阈值区间，电流限流值选择模块用于根据母线电压值所处的电压阈值区间以及预设多个电压阈值区间与电流限流值的关系，选择电流限流值，限流电路506相当于图4中的控制单元406，限流电路506用于将电流限流值与电感电流采样电路采集的电流值进行比较，并根据比较结果控制开关管的开通或关断。

相应地，本发明实施例还提供了一种逆变器，包括如图4或图5所示的开关管控制装置。

综上所述，根据本发明实施例的技术方案，根据母线电压所处的电压阈值区间确定逆变器电流限流值，在母线电压过高时，减小电流限流值来减小逆变器的输出电流，以减小开关管两端因电流变化产生的尖峰电压，从而降低逆变器开关管的电压应力，大大提高了逆变器的工作可靠性，与现有技术中在恶劣工况下，通过减慢开关管开关速度，降低逆变器开关管电压应力的方式相比，能够提高开关管开通与关断速度，减小损耗，大大提高了逆变器效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。