过压抑制装置、风电变流器及风力发电机组的制作方法

本实用新型涉及电子电力技术领域。更具体地，本实用新型涉及一种过压抑制装置、风电变流器及风力发电机组。

背景技术：

目前随着电力电子器件的广泛应用，产生了一些电压上升率非常高的过压工况，在某些极端工况下，电压在几微秒内迅速上升到超过系统允许的额定电压，如果不采用特殊的抑制电路，就会造成设备的过压损坏，目前对于过压抑制的电路主要是通过电容来进行电压上升率的抑制然后通过软件来控制绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator，简称IGBT)导通，利用电阻进行能量泄放来降低电压，如示出现有的过压抑制电路的示例的图1所示。现有的技术方案需要通过电压测量来驱动绝缘栅双极型晶体管导通，时间长，为了抑制电压过快的上升速率，必须增加容值很大的直流支撑电容，造成了成本高，体积大，响应时间慢。

瞬态抑制(Transient Voltage Suppressors，简称TVS)二极管是二极管中的一种，在正向应用条件下瞬态抑制二极管与普通二极管相同，在反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，瞬态抑制二极管工作阻抗能立即从高阻抗降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，当电压降低到阈值时，瞬态抑制二极管会恢复高阻抗状态。

绝缘栅双极型晶体管是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动功率半导体器件，具有绝缘栅型场效应管的高输入阻抗和双极型三极管的低导通压降两方面优点。

技术实现要素：

本实用新型的示例性实施例在于提供一种过压抑制装置、风电变流器及风力发电机组，以解决现有的技术方案需要通过电压测量来驱动绝缘栅双极型晶体管导通，为了抑制电压过快的上升速率，必须增加容值很大的直流支撑电容，造成了成本高、体积大、响应时间长等问题。

根据本实用新型的示例性实施例，提供一种过压抑制装置，包括：顺序布置的有源钳位电路、能量泄放电路和瞬态电压钳位电路，其中，所述有源钳位电路的第一输入端和第二输入端分别连接到正直流母线和负直流母线，所述有源钳位电路的输出端连接到所述能量泄放电路的控制端；所述能量泄放电路的第一输入端和第二输入端分别连接到所述正直流母线和所述负直流母线，所述能量泄放电路的输出端连接到所述瞬态电压钳位电路的一端；所述瞬态电压钳位电路的另一端连接到所述负直流母线。

可选地，所述有源钳位电路包括第一瞬态抑制二极管、第一电阻器、第二瞬态抑制二极管和第二电阻器，其中，所述第一瞬态抑制二极管的阴极连接到所述正直流母线，所述第一瞬态抑制二极管的阳极经由第一电阻器连接到所述有源钳位电路的输出端，所述第二瞬态抑制二极管的阳极连接到所述负直流母线，所述第二瞬态抑制二极管的阴极连接到所述有源钳位电路的输出端，所述第二电阻器与所述第二瞬态抑制二极管并联连接。

可选地，所述能量泄放电路包括绝缘栅双极型晶体管和第三电阻器，其中，所述第三电阻器的一端连接到所述正直流母线，所述第三电阻器的另一端连接到所述能量泄放电路的输出端，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到所述负直流母线，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到所述能量泄放电路的输出端，所述绝缘栅双极型晶体管的门极连接到所述能量泄放电路的控制端。

可选地，所述瞬态电压钳位电路包括第三瞬态抑制二极管，其中，所述第三瞬态抑制二极管的阴极连接到所述能量泄放电路的输出端，所述第三瞬态抑制二极管的阳极连接到所述负直流母线。

可选地，所述第二电阻器的电阻值大于所述第一电阻器的电阻值。

可选地，所述第三瞬态抑制二极管的击穿电压高于所述第一瞬态抑制二极管的击穿电压。

根据本实用新型的示例性实施例，提供一种风电变流器，所述风电变流器包括如上所述的过压抑制装置。

根据本实用新型的示例性实施例，提供一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如上所述的风电变流器。

根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置，当电压上升率非常高时，通过无电容的设计，能够通过有源钳位技术控制绝缘栅双极型晶体管来进行能量泄放，并且还通过瞬态电压箝位电路限制绝缘栅双极型晶体管两端的电压对绝缘栅双极型晶体管进行保护，在绝缘栅双极型晶体管动作时保护电路并且能够及时退出，不影响绝缘栅双极型晶体管的正常运行。

将在接下来的描述中部分阐述本实用新型总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本实用新型总体构思的实施而得知。

附图说明

通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本实用新型示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出现有的过压抑制电路的示例；

图2示出根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置的框图；和

图3示出根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置的电路图。

具体实施方式

现将详细参照本实用新型的示例性实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本实用新型。

图2示出根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置的框图。

参照图2，过压抑制装置包括：顺序布置的有源钳位电路10、能量泄放电路20和瞬态电压钳位电路30。

有源钳位电路10的第一输入端和第二输入端分别连接到正直流母线和负直流母线，有源钳位电路10的输出端连接到能量泄放电路20的控制端。能量泄放电路20的第一输入端和第二输入端分别连接到正直流母线和负直流母线，能量泄放电路20的输出端连接到瞬态电压钳位电路30的一端。瞬态电压钳位电路30的另一端连接到负直流母线。

有源钳位电路10用于根据直流母线电压来控制能量泄放电路20的导通和关断。

作为示例，有源钳位电路10可包括两个瞬态抑制二极管和两个电阻器。

能量泄放电路20用于当直流母线电压高于预定电压时进行能量泄放。

作为示例，能量泄放电路20可包括一个绝缘栅双极型晶体管和一个电阻器。

瞬态电压箝位电路30用于当母线电压的电压上升率高于预定值时，在能量泄放电路20导通之前对能量泄放电路20的电压进行箝位。

作为示例，瞬态电压钳位电路30可包括一个瞬态抑制二极管。

图3示出根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置的电路图。

如图3所示，作为示例，有源钳位电路10可包括：第一瞬态抑制二极管101、第一电阻器102、第二瞬态抑制二极管103和第二电阻器104。第一瞬态抑制二极管101的阴极(即，K极)连接到正直流母线，第一瞬态抑制二极管的阳极101(即，A极)经由第一电阻器102连接到有源钳位电路10的输出端，第二瞬态抑制二极管103的阳极(即，A极)连接到负直流母线，第二瞬态抑制二极管103的阴极(即，K极)连接到有源钳位电路10的输出端，第二电阻器104与第二瞬态抑制二极管103并联连接。

作为示例，能量泄放电路20可包括：绝缘栅双极型晶体管201和第三电阻器202。第三电阻器202的一端连接到正直流母线，第三电阻器202的另一端连接到能量泄放电路20的输出端，绝缘栅双极型晶体管201的发射极(即，E极)连接到负直流母线，绝缘栅双极型晶体管201的集电极(即，C极)连接到能量泄放电路20的输出端，绝缘栅双极型晶体管201的门极(即，G极)连接到能量泄放电路20的控制端。

作为示例，瞬态电压钳位电路30可包括第三瞬态抑制二极管301，其中，第三瞬态抑制二极管301的阴极(即，K极)连接到能量泄放电路20的输出端，第三瞬态抑制二极管301的阳极(即，A极)连接到负直流母线。

有源钳位电路10用于根据直流母线电压来控制能量泄放电路20的导通和关断。能量泄放电路20用于当直流母线电压高于预定电压时进行能量泄放。瞬态电压箝位电路30用于当母线电压的电压上升率高于预定值时，在能量泄放电路20导通之前对能量泄放电路20的电压进行箝位。

有源钳位电路10中的第二瞬态抑制二极管103用于防止绝缘栅双极型晶体管201的门极(即，G极)过压损坏，第一瞬态抑制二极管101用于保证有源钳位电路10的有源钳位，瞬态电压箝位电路30中的第三瞬态抑制二极管301用于防止绝缘栅双极型晶体管201的集电极(即，C极)过压损坏。

有源钳位电路10中的第二电阻器104的电阻值R2大于第一电阻器102的电阻值R1。瞬态电压箝位电路30中的第三瞬态抑制二极管301的击穿电压V3高于有源钳位电路10中的第一瞬态抑制二极管101的击穿电压V1。直流母线电压越高，有源钳位电路10中使用的第一瞬态抑制二极管101和第三瞬态抑制二极管301的击穿电压可越大。同样，直流母线电压越高，能量泄放电路20中使用的第三电阻器202的电阻值可越大。因此，本领域技术人员可根据实际情况所需的电阻值或电阻值范围选择第三电阻器202。

作为示例但不限于此，第一电阻器102的电阻值R1的取值范围可以是例如10千欧～90千欧，第一电阻器102的电阻值R1可以是第二电阻器104的电阻值R2的例如1/9000～1/1000，第二瞬态抑制二极管103的击穿电压V2的取值范围可以是例如15伏～30伏。优选地但不限于此，第一电阻器102的电阻值R1是50千欧，第一电阻器102的电阻值R1是第二电阻器104的电阻值R2的1/5000，第二瞬态抑制二极管103的击穿电压V2是12V。

当直流母线电压VDC低于第一瞬态抑制二极管101的动作电压时，第一瞬态抑制二极管101和第二瞬态抑制二极管103均保持截止状态，绝缘栅双极型晶体管201的门极(即，G极)电压Vg由于第二电阻器104的下拉，与绝缘栅双极型晶体管201的发射极(即，E极)保持等电位，此时绝缘栅双极型晶体管201保持关断，当直流母线电压VDC超过第一瞬态抑制二极管101的击穿电压V1时，第一瞬态抑制二极管101动作，将第一瞬态抑制二极管101两端的电压限制在击穿电压，此时绝缘栅双极型晶体管201的门极(即，G极)电压Vg＝((VDC-V1)×R2)/(R1+R2)。这里，R1是第一电阻器102的电阻值，R2是第二电阻器104的电阻值。

当直流母线电压VDC继续升高使得Vg超过绝缘栅双极型晶体管201的动作电压时，绝缘栅双极型晶体管201开始导通，当直流母线电压VDC继续升高使得Vg电压超过第二瞬态抑制二极管103的击穿电压时，第二瞬态抑制二极管103动作，将Vg电压钳位在第二瞬态抑制二极管103的击穿电压，防止绝缘栅双极型晶体管201的门极(即，G极)过压损坏，第一电阻器102起到限流的作用，防止第一瞬态抑制二极管101和第二瞬态抑制二极管103的电流过大烧毁。

当绝缘栅双极型晶体管201导通后，VDC逐渐降低，当Vg电压小于第二瞬态抑制二极管103的恢复电压时，第二瞬态抑制二极管103恢复截止状态，当VDC小于第一瞬态抑制二极管101的恢复电压时，第一瞬态抑制二极管101恢复截止状态，绝缘栅双极型晶体管201由于第二电阻器104的下拉作用进入关断状态。

当直流母线电压的电压上升率高于预定值(例如，800V/us)时，由于绝缘栅双极型晶体管201导通需要时间，此时绝缘栅双极型晶体管201无法及时导通时，此时绝缘栅双极型晶体管201的集电极(即，C极)电压Vc＝VDC，当Vc超过第三瞬态抑制二极管301的击穿电压V3时，第三瞬态抑制二极管301动作以将第三瞬态抑制二极管301两端的电压钳位在击穿电压V3，因为第三瞬态抑制二极管301的两端分别与绝缘栅双极型晶体管201的集电极(即，C极)和发射极(即，E极)连接，因此也将绝缘栅双极型晶体管201的CE电压钳位在V3，当绝缘栅双极型晶体管201导通时，绝缘栅双极型晶体管201的CE电压远小于第三瞬态抑制二极管301的恢复电压，此时第三瞬态抑制二极管301恢复截止状态。

根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置，当电压上升率非常高时，通过无电容的设计，能够通过有源钳位技术控制绝缘栅双极型晶体管来进行能量泄放，并且还通过瞬态电压箝位电路限制绝缘栅双极型晶体管两端的电压对于绝缘栅双极型晶体管进行保护，在绝缘栅双极型晶体管动作时保护电路并且能够及时退出，不影响绝缘栅双极型晶体管的正常运行。根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置，与现有的过压抑制电路相比，具有成本低、体积小、响应时间短的特点，并且更加适用于高电压以及高电压上升率的应用场合，可以有效地保护绝缘栅双极型晶体管不会过压击穿。根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置在风电机组发电机端共模电压抑制中有着很好的应用，风电机组的发电机端由于变流器的绝缘栅双极型晶体管开关引起的共模电压其峰值在1800V以上，电压上升率超过了800V/us，采用一般的有源钳位无法保证绝缘栅双极型晶体管及时导通，会造成绝缘栅双极型晶体管被过压击穿，而采用根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置可避免绝缘栅双极型晶体管被过压击穿。

本实用新型的示例性实施例还提供一种风电变流器，所述变流器包括如上述示例性实施例所述的过压抑制装置。

本实用新型的示例性实施例还提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上述示例性实施例所述的风电变流器。

以下简单描述根据本实用新型示例性实施例的过压抑制装置的工作方法。

首先，当直流母线电压VDC超过第一瞬态抑制二极管101的击穿电压V1时，有源钳位电路10动作，绝缘栅双极型晶体管201导通。

其后，当直流母线电压VDC超过第三瞬态抑制二极管301的击穿电压V3时，第三瞬态抑制二极管301被击穿，将绝缘栅双极型晶体管的集电极(即，C极)和发射极(即，E极)之间电压进行钳位，直流母线能量通过第三电阻器202和第三瞬态抑制二极管301进行泄放。

其后，绝缘栅双极型晶体管201导通完成，绝缘栅双极型晶体管201的集电极(即，C极)和发射极(即，E极)之间电压降低，第三瞬态抑制二极管301恢复截止，能量通过第三电阻器202进行泄放，直流母线电压VDC降低，有源钳位电路10退出，绝缘栅双极型晶体管201关断。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本实用新型，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。