6kv三电平集成门极换相晶闸管逆变器的桥臂直通保护系统的制作方法

专利名称：6kv三电平集成门极换相晶闸管逆变器的桥臂直通保护系统的制作方法
技术领域：
一种6KV三电平集成门极换相晶闸管逆变器的桥臂直通保护系统属于三电平电压逆变器制造领域。
在三电平IGCT逆变器发生桥臂直通短路时，直流电容将通过短路桥臂放电，电流上升速度极快，必须采用可靠的保护使IGCT器件不致受损。如

图1所示，它是一个三电平IGCT逆变器的桥臂之一。其中，SA1、SA3为一组对管，而SA2、SA4为另一组对管，即它们的开关脉冲状态正好相反。若SA1受损击穿，则当其对管SA2开通时，将使上半个桥臂发生直流短路，其短路通路为CD1、SA1、SA2、SA3、DA2。下半个桥臂同理。从而就会引起其它IGCT器件接连发生损坏。目前主要采取三种保护方法其一是采用桥臂串联上快速熔断器进行保护，其缺点是动作慢，而且由于交流输出侧为6KV的三电平逆变器其直流侧电压为10KV，缺乏合适的高压快速熔断器可供使用；其二是触发开通逆变桥所有开关器件，并同时触发撬杠保护来分担短路电流，但在开通大电流时也可能使开关器件受损；其三是环流保护法，但其实现要借助于限流电抗器，隔离直流电源、环流二极管等，非常复杂，可靠性有限。
本发明的特征在于，它含有依次串接于四重化输入整流滤波电路和三电平电压源逆变器之间的桥臂直通保护用IGCT(集成门极换相晶闸管)和短路信号发生电路，短路信号接收电路，输入端与上述短路信号接收电路的输出端相连而输出端与上述桥臂直通保护用IGCT相连的保护用IGCT关断控制电路以及输入端分别与上述短路信号接收电路的输出端、三电平电压源逆变器各IGCT的输入控制端相连的脉冲状态保持控制电路；其中，短路信号发生电路由正、负母线上位于保护用IGCT和三电平电压源逆变器之间的电抗器及与该电抗器并联的限流电阻、光电开关组成，短路信号接收电路依次由上述光电开关输出、放大电路或门组成，保护用IGCT关断控制电路依次由输入端和上述短路信号接收电路输出端相连的或门，反向器，MOS场效应开关管以及光电开关串联组成。所述的光电开关由光纤发送器和光纤接收器组成。所述的脉冲状态保持控制电路是三个储存器。所述的桥臂直通保护系统包括一个由串接在三电平电压源逆变器各IGCT门极与阴极之间用限流电阻和光纤发送器组成的IGCT门极信号反馈电路和IGCT故障诊断电路组成的故障检测和脉冲封锁电路；其中，故障诊断电路含有把依次经光纤接收器，晶体，反相器驱动并转换后的IGCT门极反馈信号和脉冲发生信号作为其输入信号比较的异或门构成的信号比较电路，与该信号比较电路输出端相连的比较信号延时电路，用二个可在上述脉冲发生信号的上升沿和下降沿处形成屏蔽脉冲时间宽度的单稳发生器，依次与上述单稳发生器输出端相串接的或门和反相器共同组成的故障屏蔽脉冲发生电路，用输入端与上述故障屏蔽信号发生电路比较，信号延时电路二者的输出端相连的与门构成的IGCT故障判断信号形成电路以及输入端与上述IGCT故障判断信号形成电路输出端相连而输出为IGCT故障判断时延信号的RC时延电路。
使用证明它可实现预期目的。
图2故障检测和脉冲封锁电路的电路原理图。
图3桥臂直通保护用IGCT和短路信号发生和接收电路的电路原理图。
图4桥臂直通保护用IGCT的关断控制电路原理图。
图5脉冲状态保持控制电路原理图。
图6本发明所述桥臂直通保护系统的电路原理框图。
在图2中，SA1是IGCT开关器件之一，型号为5SH×08F4502(下同)，OPAI是光纤发送器，XRU11是光纤接收器，它们的型号依次是HFBR1521和HFBR2521。NUI是三极管，型号为9013，UU9F是反相器型号为4049；UU13A是异或门，型号为4070，IGCT门极反馈信号经光纤接收器XRU11，三极管NU1，反相器UU9F后和来自信号为4538的单稳发生器UU5A、UU5B输出的脉冲发送信号PA1一起在型号为4070的异或门UU13A中比较后产生IGCT门极反馈比较信号，它经由型号为IN4148的二极管D1、电阻R1、电容C1组成的门限时延电路后送往型号为4081的与门UU12A。由于IGCT开关器件的实际开通和关断都需要一定的时延，同时反馈通路也存在一定的时延，反馈信号的上升沿和下降沿都要滞后于脉冲发送信号PAI的滞后时间约10微秒左右，在这段时间内是不能判断IGCT开关器件是否有故障的，故采用了变化沿处的屏蔽时间，约为20微秒，这样IGCT开关器件故障诊断时间为20微秒。诊断出故障后将封锁逆变器脉冲，防止其对管导通引起桥臂直通短路。脉冲封锁动作的时延不大于3微秒。这样从IGCT故障发生到脉冲封锁动作的时间延时不大于23微秒，设计死区时间为30微秒。在死区时间内，对管不会有脉冲开通命令，可以保证对管保持关断状态不会引起桥臂直通。因而，型号为4538的单稳发生器UU5A、UU5B在脉冲发送信号PA1的上升沿和下降沿处产生故障屏蔽脉冲，电阻R2、电容C2、电阻R3、电容C3决定了屏蔽脉冲的时间宽度，型号为4071的或门UU7A把UU5A、UU5B产生的脉冲合成一个脉冲，型号为4049的非门UU9A使脉冲转为低电平脉冲。于是，IGCT门极反馈比较信号经时延后和低电平的故障屏蔽脉冲共同输入到型号为4081的与门UU12A去产生故障诊断信号，再经由二极管D2、电阻R4、电容C4组成的门限时延电路产生最终的故障判断脉冲去触发不属于本发明所述范围的脉冲封锁系统，以便关断三电平逆变器所有的IGCT开关器件。
在图3中，OPS1和OPR1分别是光纤发送和接收器。在桥臂直通瞬间，由于桥臂短路而其上的电压为零，而直流电容的电压不能突变，在短路瞬间全部电容电压都施加在阳极电抗器LS1或LS2上，再通过限流电阻使上述光纤发送器OPS1产生足够的导通电流，发送出光信号；图3所述的IGCT关断控制电路经光纤接收器OPR1接收这光信号。在把它转换成电信号后，经型号为9013的三极管N1、N2，型号为4043的芯片IC14，型号为4071的或门IG15A把两路阳极电抗电压突变信号变成一个桥臂直通短路信号KEEP，其中型号为4049的两个相串的反门IC12D、IC12F用于增强驱动能力，电阻R6、发光二极管L1用于指示桥臂短路故障的发生。
在图4中，已实现了整流桥和逆变器之间的无熔断器结构。型号为4071的或门U11B收到信号KEEP后，经型号为4049的反门U8E，MOS场效应开关管N15、N17，光纤发送器OPT1、OPT2，光纤接收器SP1、SP2后去关断IGCT开关器件PR1和PR2。
在图5中，锁存器为芯片CD4042。在没有桥臂直通短路故障发生时，KEEP信号为零电平，允许PA1NO～PA4NO、PB1NO～PB4NO、PCINO～PC4NO共12路控制IGCT开关的信号通过；而在发生桥臂直通短路故障的瞬间，KEEP信号由零变为1，其上升沿引起CD4042处于锁存状态，使发送到IGCT开关器件的控制脉冲PA1KP～PA4KP、PB1KP～PB4KP、PC1KP～PC4KP的状态保持在检测到桥臂直通短路的瞬间状态，使IGCT开关器件不再开通或关断，避免受损。由已经直通的桥臂依靠其抗浪涌电流的能力承受直流电容的放电电流。
图6是本发明所述桥臂直通保护系统的电路原理框图，其中虚线框内的脉冲封锁系统不在本发明范围内，但它接受故障判断信号后会关断三电平逆变器所有的IGCT开关器件，因为状态保持控制电路的作用是有时限性的。
由此可见，本发明在发生桥臂直通故障时可立即切断整流桥和逆变器的电连接，同时使逆变器上各IGCT开关器件维持短路瞬间开关状态不变，依靠IGCT开关器件的抗浪涌电流能力来承受直流电容的放电电流，直到故障判断信号打开脉冲封锁系统，关断三电平逆变器所有的IGCT开关器件为止。
本系统的测试结果如下1.IGCT故障检测时间不大于20微秒，脉冲封锁动作延时不大于3微秒，桥臂对管死区时间为30微秒，在对管开通以前可以可靠关断。
2.三电平逆变器直流侧电压10KV，IGCT的浪涌电流承受能力10KA(1毫秒)。
3.桥臂直通短路检测时间不大于4微秒。
4.保护用IGCT断开延时不大于5微秒。
5.脉冲状态保持动作延时不大于1微秒。
权利要求
1.一种6KV三电平集成门极换相晶闸管逆变器的桥臂直通保护系统，其特征在于它含有依次串接于四重化输入整流滤波电路和三电平电压源逆变器之间的桥臂直通保护用IGCT(集成门极换相晶闸管)和短路信号发生电路，短路信号接收电路，输入端与上述短路信号接收电路的输出端相连而输出端与上述桥臂直通保护用IGCT相连的保护用IGCT关断控制电路以及输入端分别与上述短路信号接收电路的输出端、三电平电压源逆变器各IGCT的输入控制端相连的脉冲状态保持控制电路；其中，短路信号发生电路由正、负母线上位于保护用IGCT和三电平电压源逆变器之间的电抗器及与该电抗器并联的限流电阻、光电开关组成，短路信号接收电路依次由上述光电开关输出、放大电路或门组成，保护用IGCT关断控制电路依次由输入端和上述短路信号接收电路输出端相连的或门，反向器，MOS场效应开关管以及光电开关串联组成。
2.根据权利要求1所述的6KV三电平集成门极换相晶闸管逆变器的桥臂直通保护系统，其特征在于所述的光电开关由光纤发送器和光纤接收器组成。
3.根据权利要求1所述的6KV三电平集成门极换相晶闸管逆变器的桥臂直通保护系统，其特征在于所述的脉冲状态保持控制电路是三个储存器。
4.根据权利要求1所述的6KV三电平集成门极换相晶闸管逆变器的桥臂直通保护系统，其特征在于所述的桥臂直通保护系统包括一个由串接在三电平电压源逆变器各IGCT门极与阴极之间用限流电阻和光纤发送器组成的IGCT门极信号反馈电路和IGCT故障诊断电路组成的故障检测和脉冲封锁电路；其中，故障诊断电路含有把依次经光纤接收器，晶体，反相器驱动并转换后的IGCT门极反馈信号和脉冲发生信号作为其输入信号比较的异或门构成的信号比较电路，与该信号比较电路输出端相连的比较信号延时电路，用二个可在上述脉冲发生信号的上升沿和下降沿处形成屏蔽脉冲时间宽度的单稳发生器，依次与上述单稳发生器输出端相串接的或门和反相器共同组成的故障屏蔽脉冲发生电路，用输入端与上述故障屏蔽信号发生电路比较，信号延时电路二者的输出端相连的与门构成的IGCT故障判断信号形成电路以及输入端与上述IGCT故障判断信号形成电路输出端相连而输出为IGCT故障判断时延信号的RC时延电路。
全文摘要
6KV三电平集成门极换相晶闸管逆变器的桥臂直通保护系统属于三电平电压源逆变器领域,其特征在于它含有:依次串接于四重化输入滤波整流电路和逆变器之间的桥臂直通保护用IGCT开关器件和短路信号发生电路,短路信号接收电路,输入端与上述接收电路输出端相连而输出端和上述IGCT相连的保护用IGCT关断控制电路以及输入端分别与上述关断控制电路输出端和逆变器各IGCT的输入控制端相连的脉冲状态保护控制电路;此外,还有一个由逆变器各IGCT相连的门极信号反馈电路和IGCT故障诊断电路相连而成的故障检测和脉冲封锁电路。在故障时,可立即切断整流桥和逆变器的电连接依靠逆变器各IGCT的抗浪涌电流能力来承受短路电流,一直到故障判断信号打开脉冲封锁系统关断各IGCT为止。
文档编号H02M7/521GK1384593SQ0212111
公开日2002年12月11日 申请日期2002年6月7日 优先权日2002年6月7日
发明者于庆广, 马学亮, 梁旭, 危志全 申请人:清华大学, 中山市明阳电器有限公司