Tnpc逆变器装置及其桥臂短路检测方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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Pl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。
[0007]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) X 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Pl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。
[0008]图1B是TJK意性说明现有技术中开关管电压Vce退饱和检测电路的TJK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。
[0009]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。
[0010]结合图1A和图1B所描述的现有的TNPC逆变器桥臂直通短路检测方法被使用于各种现有的TNPC拓扑的逆变器电路，例如，图1C是示意性说明一个TNPC拓扑的逆变器电路的示意图，图1D是示意性说明另一个TNPC拓扑的逆变器电路的示意图，图1E是示意性说明再另一个TNPC拓扑的逆变器电路的示意图，以及图1F是示意性说明再另一个TNPC拓扑的逆变器电路的示意图。图1C、1D、1E和IF所示的TNPC拓扑的逆变器电路中所包含的各元件的连接关系正如其中所示:同向串联的直流电压源Vl和V2构成正负对称直流电压源，“ + ”和分别表示正负对称直流电压源的正直流端和负直流端，电压为上正下负；G是接地端，又是正负对称直流电压源的中点；同向串联的开关管SI和S2构成逆变桥臂，开关管SI连接到正直流端，开关管S2连接到负直流端，分别与开关管SI和S2反向并联的二极管Dl和D2用于续流或换流，开关管SI和S2的连接点Oac是交流端；在中点G与交流端Oac之间连接有双向开关桥臂，双向开关桥臂可以分别由两个开关管反向串联或并联而形成，以实现分别在两个方向上续流或换流。例如，在图1C中，开关管S3与S4反向串联并分别反向并联有二极管D3和D4，在图1D中，开关管S13与S14反向串联并分别反向并联有二极管D13和D14，在图1E中，开关管S23与S24反向并联并分别反向串联有二极管D23和D24，在图1F中，开关管S33与S34反向并联并分别反向串联有二极管D33和D34。
[0011]以图1C中所示的TNPC拓扑类型为例，图1G是示意性说明现有技术中TNPC逆变器桥臂直通短路检测装置的框图的示意图。如图1G中所示的所有开关管均位于一塑封壳内，检测电路通过塑封TNPC模块的引脚(Pin)连接实现检测。传统技术中，为检测TNPC模块是否发生桥臂直通而造成的短路，对应于TNPC模块中包含的开关管S1、S2、S3和S4，至少需要配置四个检测电路X1、X2、X3和X4。四个检测电路分别检测与之对应连接的开关管。因此，对于此种TNPC模块所应用的电源装置其TNPC模块周边的检测电路会较为复杂，也会占用较多的电路板面积。再者，当检测电路较多时也容易增加其受周边电路的干扰而误动作的几率。
【发明内容】
[0012]本申请是考虑到至少一部分上述问题而做出的。
[0013]本申请的一个目的是提供一种TNPC逆变器装置，包括:TNPC逆变器模块，包括第一直流端、第二直流端、交流端、电容桥臂、逆变桥臂和双向开关桥臂，其中所述电容桥臂的两端与所述逆变桥臂的两端分别连接到所述第一直流端和所述第二直流端，所述双向开关桥臂的两端分别连接到所述电容桥臂的中点和所述逆变桥臂的中点，所述交流端为所述逆变桥臂的中点，所述逆变桥臂包括上开关管单元和下开关管单元；以及短路检测模块，主要由上开关管检测单元和下开关管检测单元构成，其中所述上开关管检测单元配置为检测所述上开关管单元的管压降，所述下开关管检测单元配置为检测所述下开关管单元的管压降。
[0014]本申请的另一个目的是提供一种TNPC逆变器装置桥臂直通短路检测方法，用于检测TNPC逆变器装置，所述TNPC逆变器装置包括:TNPC逆变器模块，包括第一直流端、第二直流端、交流端、电容桥臂、逆变桥臂和双向开关桥臂，其中所述电容桥臂的两端与所述逆变桥臂的两端分别连接到所述第一直流端和所述第二直流端，所述双向开关桥臂的两端分别连接到所述电容桥臂的中点和所述逆变桥臂的中点，所述交流端为所述逆变桥臂的中点，所述逆变桥臂包括上开关管单元和下开关管单元；以及短路检测模块，由上开关管检测单元和下开关管检测单元构成，其中所述上开关管检测单元配置为检测所述上开关管单元的管压降，所述下开关管检测单元配置为检测所述下开关管单元的管压降，所述TNPC逆变器装置桥臂直通短路检测方法由如下步骤构成:仅检测所述TNPC逆变器装置中所述TNPC逆变器模块的所述上开关管单元和所述下开关管单元的管压降；以及当所述上开关管单元和所述下开关管单元的任何一个的管压降大于参考值时，确定该开关管单元所在的回路的桥臂发生了直通短路。
[0015]本申请对TNPC逆变器装置的逆变桥臂的开关管进行了优先退饱和处理，提高了TNPC逆变器装置的逆变桥臂的开关管的集电极和发射极之间的电压Vce，因此只检测TNPC逆变器装置的逆变桥臂的开关管的集电极和发射极之间的电压Vce，就能够实现NPC逆变器装置桥臂直通短路的可靠检测。而且，由于本发明只检测TNPC逆变器装置的逆变桥臂的开关管的集电极和发射极之间的电压Vce，大大减少了检测电路的数量，因此电路简单，器件较少，成本较低。
【附图说明】
[0016]本申请的上述和其他目的、特征以及其他优点将从如下结合附图的详细描述中变得更加清晰易懂，其中:
[0017]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；
[0018]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；
[0019]图1C是TJK意性说明一个TNPC拓扑的逆变器电路的TJK意图；
[0020]图1D是TJK意性说明另一个TNPC拓