一种中点箝位三电平逆变器保护电路及方法与流程

本发明涉及电力电子变换器控制领域，具体涉及一种中点箝位三电平逆变器保护电路及方法。

背景技术：

1、随着半导体随着功率半导体开关器件技术的高速发展，电力电子变换器得到了迅猛发展，在中压大功率系统中，二极管箝位型(npc)三电平逆变器因为其拓扑结构简洁，控制方法成熟，成为中压大功率多电平变换器的首选拓扑结构，并在工程中广泛应用。二极管箝位型(npc)三电平逆变器逆变器在发生故障时，需要外面的两只开关管(sx1和sx4)优先于对应的里面两只开关管(sx2和sx3)关断，否则外部开关管(sx1和sx4)电压应力无法箝位在vin/2，而是要承受输入电压相等的电压应力造成损坏。

2、中国专利申请公开号cn105553313a公开了具有保护结构的npc型三电平逆变器驱动电路及方法，通过在mcu和开关管驱动之间增加pld解决mcu硬件不稳定、pwm信号走线受干扰等情况出现的开关管损坏情况，可以实现mcu固件和pld硬件双重保护的效果。上述技术虽然能够对桥臂过流和驱动异常可有效保护，但是系统存在输出过压，输出过流、输入过流故障、过温故障时，未对npc变换器进行有效保护；在中央控制单元(mcu)基础上增加可编程逻辑器件(pld)电路实现npc电路关管时序，虽然能够实现故障状态下及时保护，但是电路结构复杂，控制复杂，成本高。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于现有技术三电平逆变器保护电路结构复杂，控制复杂，成本高，并且未对npc变换器进行有效保护。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：一种中点箝位三电平逆变器保护电路，包括npc桥臂、驱动电路、延时电路以及信号控制电路，所述npc桥臂包括位于线路中部内侧的开关管和位于线路两端的开关管，驱动电路包括用于给线路中部内侧的开关管发送驱动信号的电平转换芯片a以及用于给线路两端的开关管发送驱动信号的电平转换芯片b，信号控制电路产生驱动信号，信号控制电路与电平转换芯片b连接，信号控制电路还通过延时电路与电平转换芯片a连接。

3、进一步地，所述驱动电路还包括驱动隔离电路，所述驱动隔离电路的输入端分别与电平转换芯片a以及电平转换芯片b连接，驱动隔离电路的输出端分别与npc桥臂的各个开关管连接。

4、更进一步地，所述信号控制电路为控制器，所述控制器与驱动隔离电路连接，接收故障反馈信号；控制器与电平转换芯片a连接，输出驱动信号；控制器与电平转换芯片b以及延时电路连接，输出保护信号，延时电路与电平转换芯片a连接；控制器还与npc桥臂连接，接收线路中的电压、电流及温度信号。

5、更进一步地，所述信号控制电路为控制器和保护电路，所述控制器与npc桥臂连接，接收线路中的电压和电流信号，所述保护电路与控制器的信号采集线连接，接收线路中的电压、电流信号，所述保护电路还接收线路中的温度信号以及与驱动隔离电路连接，接收故障反馈信号；保护电路与电平转换芯片b以及延时电路连接，输出保护信号，延时电路与电平转换芯片a连接。

6、进一步地，中点箝位三电平逆变器保护电路还包括交流电源、滤波电容以及滤波电感，滤波电容的一端分别与交流电源的每一相连接，滤波电容的另一端接地作为公共点；滤波电感的一端与滤波电容的一端相连，滤波电感的另一端与npc桥臂的上下桥臂的中点相连。

7、进一步地，中点箝位三电平逆变器保护电路还包括电流传感器，电流传感器分别串接在滤波电感和npc桥臂连接线路上，用于采集电感电流。

8、更进一步地，中点箝位三电平逆变器保护电路还包括多组直流滤波电容，每组直流滤波电容并联在npc桥臂两端，直流滤波电容为两个串联的电容，两个串联的电容的连接点与npc桥臂的上下桥臂的中点连接。

9、本发明还提供一种中点箝位三电平逆变器保护方法，应用于上述所述的中点箝位三电平逆变器保护电路，所述方法包括：

10、当系统出现故障时，信号控制电路发出驱动使能信号b’控制电平转换芯片b输出pwm波，进而关闭npc桥臂的线路两端的开关管；信号控制电路发出驱动保护信号经过延时电路后输出驱动使能信号a’控制电平转换芯片a输出pwm波，进而关闭npc桥臂的线路中部内侧的开关管，延时电路的延时时间是预设的从线路两端的开关管关断时刻到线路中部内侧的开关管关断时刻之间的时间差。

11、进一步地，所述信号控制电路为控制器，控制器与驱动隔离电路连接，驱动隔离电路的输入端分别与电平转换芯片a以及电平转换芯片b连接，驱动隔离电路的输出端分别与npc桥臂的各个开关管连接，当系统出现输出过压、输出过流、输入过流故障、过温故障时，控制器通过采集电压、电流、温度以及驱动隔离电路反馈的故障反馈信号，检测到任一故障或者多个故障时，控制器发出驱动使能信号b’控制电平转换芯片b输出pwm波，进而关闭npc桥臂的线路两端的开关管；控制器发出驱动保护信号经过延时电路后输出驱动使能信号a’控制电平转换芯片a输出pwm波，进而关闭npc桥臂臂的线路中部内侧的开关管。

12、进一步地，所述信号控制电路为控制器和保护电路，控制器与npc桥臂连接，接收线路中的电压和电流信号，保护电路与控制器的信号采集线连接，接收线路中的电压、电流信号，保护电路还接收线路中的温度信号以及与驱动隔离电路连接，接收故障反馈信号；保护电路与电平转换芯片b以及延时电路连接，延时电路与电平转换芯片a连接；当系统出现输出过压、输出过流、输入过流故障、过温故障时，保护电路生成驱动使能信号b’控制电平转换芯片b输出pwm波，进而关闭npc桥臂的线路两端的开关管；保护电路生成的驱动保护信号经过延时电路后输出驱动使能信号a’控制电平转换芯片a输出pwm波，进而关闭npc桥臂臂的线路中部内侧的开关管。

13、本发明的优点在于：

14、(1)本发明设置延时电路、电平转换芯片a以及电平转换芯片b，当出现系统故障时，信号控制电路产生驱动信号控制开关管关断，由于信号控制电路通过延时电路与电平转换芯片a连接，从而由电平转换芯片a控制的线路中部内侧的开关管后关断，而直接与信号控制电路连接的电平转换芯片b所控制的线路两端的开关管先关断，从而解决中点箝位三电平逆变器出现故障时先关外管，后关内管的关管时序问题，对npc变换器进行有效保护，并且与现有技术运用可编程逻辑器件(pld)相比，电路结构简单，易于实现，节省pcb设计空间，而且能够大幅度降低成本。

15、(2)本发明中点箝位三电平逆变器(npc)系统设计时通过对外管和内管驱动信号在电平转换单元分组也即设置电平转换芯片a以及电平转换芯片b分别控制内管和外管，利用电平转换芯片使能有效脚的控制以及延时电路巧妙的实现先关外管，后关内管的关管时序问题。

16、(3)本发明中点箝位三电平逆变器通过延时电路的设置，实现先关外管，后关内管的关管时序，不但能够实现对三相npc电路其中一相开关管和二极管故障时，其它两相能够有效保护；同时还能够对系统的其它故障(如过压、过流故障)实现有效保护。

技术特征：

1.一种中点箝位三电平逆变器保护电路，其特征在于，包括npc桥臂、驱动电路、延时电路以及信号控制电路，所述npc桥臂包括位于线路中部内侧的开关管和位于线路两端的开关管，驱动电路包括用于给线路中部内侧的开关管发送驱动信号的电平转换芯片a以及用于给线路两端的开关管发送驱动信号的电平转换芯片b，信号控制电路产生驱动信号，信号控制电路与电平转换芯片b连接，信号控制电路还通过延时电路与电平转换芯片a连接。

2.根据权利要求1所述的一种中点箝位三电平逆变器保护电路，其特征在于，所述驱动电路还包括驱动隔离电路，所述驱动隔离电路的输入端分别与电平转换芯片a以及电平转换芯片b连接，驱动隔离电路的输出端分别与npc桥臂的各个开关管连接。

3.根据权利要求2所述的一种中点箝位三电平逆变器保护电路，其特征在于，所述信号控制电路为控制器，所述控制器与驱动隔离电路连接，接收故障反馈信号；控制器与电平转换芯片a连接，输出驱动信号；控制器与电平转换芯片b以及延时电路连接，输出保护信号，延时电路与电平转换芯片a连接；控制器还与npc桥臂连接，接收线路中的电压、电流及温度信号。

4.根据权利要求2所述的一种中点箝位三电平逆变器保护电路，其特征在于，所述信号控制电路为控制器和保护电路，所述控制器与npc桥臂连接，接收线路中的电压和电流信号，所述保护电路与控制器的信号采集线连接，接收线路中的电压、电流信号，所述保护电路还接收线路中的温度信号以及与驱动隔离电路连接，接收故障反馈信号；保护电路与电平转换芯片b以及延时电路连接，输出保护信号，延时电路与电平转换芯片a连接。

5.根据权利要求1所述的一种中点箝位三电平逆变器保护电路，其特征在于，还包括交流电源、滤波电容以及滤波电感，滤波电容的一端分别与交流电源的每一相连接，滤波电容的另一端接地作为公共点；滤波电感的一端与滤波电容的一端相连，滤波电感的另一端与npc桥臂的上下桥臂的中点相连。

6.根据权利要求5所述的一种中点箝位三电平逆变器保护电路，其特征在于，还包括电流传感器，电流传感器分别串接在滤波电感和npc桥臂连接线路上，用于采集电感电流。

7.根据权利要求6所述的一种中点箝位三电平逆变器保护电路，其特征在于，还包括多组直流滤波电容，每组直流滤波电容并联在npc桥臂两端，直流滤波电容为两个串联的电容，两个串联的电容的连接点与npc桥臂的上下桥臂的中点连接。

8.一种中点箝位三电平逆变器保护方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的中点箝位三电平逆变器保护电路，所述方法包括：

9.根据权利要求8所述的一种中点箝位三电平逆变器保护方法，其特征在于，所述信号控制电路为控制器，控制器与驱动隔离电路连接，驱动隔离电路的输入端分别与电平转换芯片a以及电平转换芯片b连接，驱动隔离电路的输出端分别与npc桥臂的各个开关管连接，当系统出现输出过压、输出过流、输入过流故障、过温故障时，控制器通过采集电压、电流、温度以及驱动隔离电路反馈的故障反馈信号，检测到任一故障或者多个故障时，控制器发出驱动使能信号b’控制电平转换芯片b输出pwm波，进而关闭npc桥臂的线路两端的开关管；控制器发出驱动保护信号经过延时电路后输出驱动使能信号a’控制电平转换芯片a输出pwm波，进而关闭npc桥臂臂的线路中部内侧的开关管。

10.根据权利要求8所述的一种中点箝位三电平逆变器保护方法，其特征在于，所述信号控制电路为控制器和保护电路，控制器与npc桥臂连接，接收线路中的电压和电流信号，保护电路与控制器的信号采集线连接，接收线路中的电压、电流信号，保护电路还接收线路中的温度信号以及与驱动隔离电路连接，接收故障反馈信号；保护电路与电平转换芯片b以及延时电路连接，延时电路与电平转换芯片a连接；当系统出现输出过压、输出过流、输入过流故障、过温故障时，保护电路生成驱动使能信号b’控制电平转换芯片b输出pwm波，进而关闭npc桥臂的线路两端的开关管；保护电路生成的驱动保护信号经过延时电路后输出驱动使能信号a’控制电平转换芯片a输出pwm波，进而关闭npc桥臂臂的线路中部内侧的开关管。

技术总结
本发明公开了一种中点箝位三电平逆变器保护电路及方法，所述电路包括NPC桥臂、驱动电路、延时电路以及信号控制电路，所述NPC桥臂包括位于线路中部内侧的开关管和位于线路两端的开关管，驱动电路包括用于给线路中部内侧的开关管发送驱动信号的电平转换芯片A以及用于给线路两端的开关管发送驱动信号的电平转换芯片B，信号控制电路产生驱动信号，信号控制电路与电平转换芯片B连接，信号控制电路还通过延时电路与电平转换芯片A连接；本发明的优点在于：结构简单，成本低，能够对NPC变换器进行有效保护。

技术研发人员：杨银平,崔德友,张建一,钱正,李长江,李琪琪
受保护的技术使用者：科威尔技术股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15