专利名称：基于igct的中高电压三电平变换器中安全封脉冲方法
技术领域：
本发明属于电力电子应用技术领域，适用于基于IGCT的中高压三电平变换器正常封脉冲停机或者故障保护封脉冲动作，使变换器在封脉冲过程中避免发生桥臂直通、单个器件开关动作时间过短以及单个器件承受全边直流母线电压等现象，从而保证开关器件和变换器的安全、正常工作。
背景技术：
自上世纪80年代以来，随着现代电力电子技术、微电子技术以及控制技术的发展和进步，电力电子变换器得到很大的发展，应用范围日益广泛，几乎涉及到发电、输电、储电和用电的所有应用领域。在这些应用中，中高压大功率变流技术成为变换器主要发展方向之一。在这些变换器中，将高性能的开关器件和变换器的拓扑综合考虑，成为解决变换器功率等级与开关器件容量和开关频率之间矛盾的有效手段之一。1996年，集成门极换向晶闸管(IGCT)问世后，因其固有的诸多优点，成为中高压变换器开关器件的理想选择之一。美国、德国和瑞士等国家的一些大的电气公司都相继推出了基于IGCT的三电平变换器产品。这类变换器的优点之一是，主电路中的每个开关器件只承受一半的直流母线电压，可以充分利用IGCT的电压等级，无需动态均压电路。
但是，将传统的两电平变换器或者低压三电平变换器中的控制方法直接用于基于IGCT的三电平变换器中，在某些特定条件下，将破坏上述的优点，甚至直接造成IGCT器件损坏。尤其在传统的控制方法中，当发生正常封脉冲停机或者故障保护封脉冲时，一般直接封锁12个开关器件驱动信号。由于该方法没有考虑新型IGCT器件的特性以及中高压三电平变换器的特点，直接用于基于IGCT的中高三电平变换器中，有可能出现桥臂直通、单个器件开关动作时间过短以及单个器件承受全边直流母线电压等现象。在一些变换器中，针对桥臂直通和单个开关器件动作时间过短现象采用了一般的死区时间控制和最小脉宽控制等方法。但是都没有针对单个器件承受全边直流母线电压现象采用专用处理方法；更没有将这三种方法有机结合起来，而这两点在本发明中做到了。
电力电子器件电力电子技术和设备的基础，保证电力电子器件的安全、可靠工作，避免器件的损害是电力电子变换器基本条件，除了在变换器机械结构、吸收电路等方面的保障措施外，在变换器控制中加入适当的控制方法也是必要的保障措施之一。
发明内容
本发明是一种应用于变换器中的安全封脉冲方法，主要针对基于IGCT的中高压三电平变换器，该方法不受变换器原有核心控制策略的限制，可以直接用于逆变电路中12只IGCT驱动脉冲的管理。使变换器在任何时候进行封脉冲动作时，都能够避免发生桥臂直通、单个器件开关动作时间过短以及单个器件承受全边直流母线电压等现象，从而保证开关器件和变换器的安全、正常工作。并且，该方法可以在原系统硬件或附加的CPLD等数字芯片和电路来实现。以CPLD为控制芯片实现该方法的部分系统结构示意图如图1所示，主控板DSP发出的12路驱动信号经过CPLD芯片后变成12路PWM信号用于驱动三电平变换器逆变电路的12个IGCT，同时CPLD芯片接收故障信号，而本发明的安全封脉冲方法可以在CPLD中得到实现。
本发明的特征在于所述方法是在一个CPLD芯片中实现的，该CPLD芯片从一个用DSP构成的主控板输出端接收12路PWM驱动脉冲后，再经光纤驱动电路向由12个IGCT构成的三电平变换器逆变电路发出12路PWM驱动信号；在当主控板发出的PWM信号为100110011001或CPLD芯片的故障标志有效时，该CPLD芯片依次按以下步骤实现所述的封脉冲方法步骤1初始化，在该CPLD芯片中设置以下参数数组PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]，对应于所述逆变电路三个桥臂U、V、W中IGCT的控制信号，“1”表示让该IGCT导通，“0”表示让该IGCT阻断；死区时间，用tdead表示，代表一个桥臂互锁两个IGCT驱动信号同为关断状态的时间，取30～50μs；通态最小脉宽时间，用tonmin表示，代表同一个IGCT驱动信号维持导通的最小时间，取20～30μs；阻态最小脉宽时间，同toffmin表示，代表同一个IGCT驱动信号维持阻断状态的最小时间，取80～130μs；相应于各数组的死区时间计时器、通态最小脉宽时间计时器、阻态最小脉宽时间计时器、过渡脉冲控制时间计时器的标志位和故障标志位；步骤2该CPLD芯片从主控板接收12路PWM驱动信号和故障状态的数据；步骤3该CPLD芯片判断所述主控板发出的12路PWM驱动信号是否为‘100110011001’或者CPLD芯片的故障状态标志为有效，若不是，则判断结果为不封脉冲，执行步骤4；若是，则执行步骤7；步骤4CPLD芯片根据主控板输出的12路PWM驱动信号对数组PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]赋值；步骤5CPLD芯片按以下状态情况，区别进行死区和最小脉宽处理状态5.1，当某一个数组的状态变为
或
时，相应于该数组的死区时间计时器开始计时；状态5.2，当某一个数组中的某个数值发生从“0”向“1”的状态变化时，相应于该数组的通态最小脉宽时间计时器开始计时；状态5.3，当某一个数组中的某个数值发生从“1”向“0”的状态变化时，相应于该数组的阻态最小脉宽时间计时器开始计时；步骤6各计时器的数值小于对应的计时器设定值的时间内，对应的CPLD芯片输出的PWM驱动信号维持原状态，否则，CPLD芯片输出的PWM驱动信号与主控板输入CPLD芯片的信号相同，返回步骤2；步骤7CPLD执行过渡脉冲控制流程在封脉冲时，过渡脉冲控制时间计时器开始计时，并把数组PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]全部赋值为
，然后执行步骤5和步骤6，一直到过渡脉冲时间计时器的数值达到通态最小脉宽时间tonmin时，把所述数组全部赋值为
并回到步骤2，其中，所述的过渡脉冲即所述芯片CPLD输出的三电平变换器逆变电路的PWM驱动信号。
实验证明从封脉冲决定开始，本发明可以在175μs内完成逆变电路中所有12个IGCT的安全关断，而不发生桥臂直通、单个器件开关动作时间过短以及单个器件承受全边直流母线电压等现象。
图1.以CPLD为控制芯片实现该方法的部分系统结构示意图；图2.本发明控制程序流程示意图；图3.单个IGCT承受全边母线电压现象的原理图；图4.单个IGCT承受全边母线电压现象的试验波形。
具体实施例方式
本发明是一种将死区时间控制、最小脉宽控制和过渡脉冲控制三者有机结合的安全封脉冲方法。该方法的控制流程示意图如图2所示。为说明方便，采用“1”和“0”来表示IGCT驱动信号的状态，“1”表示让IGCT导通，该方法包括以下步骤1.在变换器控制上电时，控制算法进行初始化，设置数组PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]、死区时间tdead、通态最小脉宽时间tonmin、阻态最小脉宽时间toffmin以及相应的计时器和故障标志位。其中，死区时间指的是一个桥臂互锁两个IGCT驱动信号同为关断状态的时间，其取值根据所选IGCT器件特性的死区时间要求和所选用吸收电路(包括di/dt吸收电路和dv/dt吸收电路)的稳定过程时间常数来确定，取两者中的较大者，一般选取30-50μs，最小脉宽为同一IGCT驱动信号维持导通或维持阻断状态的最小时间，分为通态最小脉宽和阻态最小脉宽，通态最小脉宽根据所选IGCT器件特性的通态最小脉宽要求来确定，一般为20-30μs，阻态最小脉宽根据所选IGCT器件最小脉宽要求、吸收电路的稳定过程时间常数和死区时间共同来确定，取IGCT的通态最小脉宽加两倍的死区时间的总值和IGCT阻态最小脉宽要求值两者中的大者，一般为80-130μs；
2.当系统完成初始化进行正常工作时，在主控板发出正常PWM时，本控制方法将主控板的12路PWM信号每4个为一组赋值给PWMu[]、PWMv[]、PWMw[](对应着逆变电路控制三个桥臂IGCT的控制信号)，然后进行“死区和最小脉宽处理流程”当某一个数组的状态变为
或者
时，相应的死区时间计时器开始计时，而当某一数组中某个数值发生从“0”间“1”变化时，相应的最小通态时间计时器开始计时，当某一数组中某个数值发生从“1”向“0”变化时，相应的最小阻态时间计时器开始计时，在各计时器数值小于对应的设定值的时间内，对应的CPLD输出的PWM信号不随着主控板输入CPLD的信号改变，而是维持原状态，除此之外，CPLD输出的PWM信号与主控板输入CPLD的信号相同。该处理流程称为“死区和最小脉宽处理流程”；3.而当主控板发出PWM信号为“100110011001”或CPLD的故障标志为有效时，则系统需要进行封脉冲处理，进行本发明中的“过渡脉冲控制流程”过渡脉冲控制计时器开始计时，将数组PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]全部赋值为
，然后进行“死区和最小脉宽处理流程”，过渡脉冲控制时间计时器数值大于最小通态时间tonmin时，将数组PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]全部赋值为
，然后再进行“死区和最小脉宽处理流程”。
上述步骤和关键参数确定具有以下特征1.死区时间确定根据IGCT器件特性以及吸收电路参数，可以避免桥臂直通现象的发生。
2.最小脉宽的确定根据IGCT器件特性、吸收电路参数和死区综合确定，可以避免单个开关器件由于连续动作时间过短而造成器件或者吸收电路器件的损坏。
3.在封脉冲过程中使用了过渡脉冲控制，即封脉冲方法步骤中的第3步，可以避免直接封脉冲造成的单个IGCT承受全边母线电压而造成损坏。
4.将上述三种控制进行了综合考虑，做到同时避免三种损坏现象。
5.除了脉冲信号，该方法不需要附加的变换器状态识别；6.该方法只在输出驱动脉冲控制中使用，可以很容易在原有系统硬件上或者在附加的CPLD上实现，实现简单，可靠性高。
理论分析和实验结果证明本方面的安全封脉冲方法，使变换器在任何时候进行封脉冲动作时，都能够避免发生桥臂直通、单个器件开关动作时间过短以及单个器件承受全边直流母线电压等现象。
图1是以CPLD为控制芯片实现该方法的部分系统结构示意图，采用CPLD为控制芯片或者采用系统原有的硬件系统很容易实现本发明控制方法。
图2是本发明控制程序流程示意图，其中封脉冲的判断、死区和最小脉宽处理流程和过渡脉冲控制流程在发明内容的控制方法步骤中有详细的说明。
图3是单个IGCT承受全边母线电压现象的原理图，对于三电平变换器逆变电路一个桥臂来说，如果不考虑死区段的情况，则有6种稳定运行的状态，对于封脉冲后的稳定运行状态有2种，在图3全都列举出来。对于传统的、普通的封脉冲方式的情况来说，则为(a)、(b)和(c)中的任一状态到(d)状态切换过程，比如当封脉冲前桥臂的状态为1(a)状态，即桥臂输出电流为流出方向，桥臂中IGCT即Tu1、Tu2、Tu3、Tu4状态为“1100”状态，此时进行封脉冲动作，桥臂IGCT状态为“0000”状态，但输出电流在续流二极管的作用下继续为流出状态，则变为1(d)状态。作如下假设即在状态切换的过程中，输出电流的方向不变，即1和2类状态不会交叉。一般认为状态切换的时间为μs级，而输出电路中的电感约为mH级，电阻为Ω级，则输出回路的变化时间常数为ms级，此假设是可以接受的。对于1(a)→1(d)和2(c)→2(d)的切换过程，可以看出，这两个切换相当于三电平桥臂运行在两电平串联IGCT模式，在没有动态均匀电路的情况下，控制信号的同步性严重影响两串联IGCT的关断电压。
图4是单个IGCT承受全边母线电压现象的试验波形。在一个MVA级的基于IGCT的三电平变换器中，将直流母线全边电压调至500V左右，负载为1.1kW/380V电机空载，其稳态运行时的最大电流约小于10A，在这种极其安全的小电机配置下进行了传统的封脉冲试验，采用相同型号的电压探头同时测取U相第一和第二个IGCT的两端电压(UT1和UT2)，经过多次的试验，捕捉到了图3中1a→1d的情况。试验中，直流母线基本平衡，上、下半边母线电压的差小于10V，而在该过程中，第二个IGCT关断的时候几乎承受了全部的母线电压，并持续了0.1ms。如果上述实验在额定母线电压和额定负载下进行，则在直流母线电压几乎没有发生偏置的情况下，也可能会造成第二个IGCT承受全边母线电压而损害。
避免该情况的措施就是防止在封脉冲的过程中出现1a→1d和2c→2d的切换过程，从图3中可以发现，如论输出电流方向如何，从1b和2b进入1d和2d的状态都是安全的。本发明方法中，在真正封脉冲的时候，先将所有的桥臂的状态调整为b状态(即0110状态)，从而做到不需要判断电流方向就能安全进入封脉冲状态(即0000状态)。这就是针对封脉冲过程的单个IGCT承受全边母线电压，而在本发明中采用的过渡脉冲控制，在本发明中还将该过渡脉冲控制与死区时间控制和最小脉宽控制有机结合在一起。如果选取死区时间tdead为40μs，通态最小脉宽tonmin为25μs，阻态最小脉宽toffmin为100μs，IGCT的关断时间(从关断驱动信号使能开始到IGCT真正关断)的时间为10μs，则本发明封脉冲过程执行的最大时间为tmax＝tdead+tonmin+toffmin+toff＝40μs+25μs+100μs+10μs＝175μs其中，toff是IGCT的关断时间。所以，采用本发明的安全封脉冲方法，可以保证从封脉冲决定开始，在175μs内完成所有逆变电路中12个IGCT的安全关断，而不存在桥臂直通、单个器件开关动作时间过短以及单个器件承受全边直流母线电压等现象。
权利要求
1.基于IGCT的中高压三电平变换器中安全封脉冲方法，其特征在于所述方法是在一个CPLD芯片中实现的，该CPLD芯片从一个用DSP构成的主控板输出端接收12路PWM驱动脉冲后，再经光纤驱动电路向由12个IGCT构成的三电平变换器逆变电路发出12路PWM驱动信号；在当主控板发出的PWM信号为100110011001或CPLD芯片的故障标志有效时，该CPLD芯片依次按以下步骤实现所述的封脉冲方法步骤1初始化，在该CPLD芯片中设置以下参数数组PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]，对应于所述逆变电路三个桥臂U、V、W中IGCT的控制信号，“1”表示让该IGCT导通，“0”表示让该IGCT阻断；死区时间，用tdead表示，代表一个桥臂互锁两个IGCT驱动信号同为关断状态的时间，取30～50μs；通态最小脉宽时间，用tonmin表示，代表同一个IGCT驱动信号维持导通的最小时间，取20～30μs；阻态最小脉宽时间，同toffmin表示，代表同一个IGCT驱动信号维持阻断状态的最小时间，取80～130μs；相应于各数组的死区时间计时器、通态最小脉宽时间计时器、阻态最小脉宽时间计时器、过渡脉冲控制时间计时器的标志位和故障标志位；步骤2该CPLD芯片从主控板接收12路PWM驱动信号和故障状态的数据；步骤3该CPLD芯片判断所述主控板发出的12路PWM驱动信号是否为‘100110011001’或者CPLD芯片的故障状态标志为有效，若不是，则判断结果为不封脉冲，执行步骤4；若是，则执行步骤7；步骤4CPLD芯片根据主控板输出的12路PWM驱动信号对数组PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]赋值；步骤5CPLD芯片按以下状态情况，区别进行死区和最小脉宽处理状态5.1，当某一个数组的状态变为
或
时，相应于该数组的死区时间计时器开始计时；状态5.2，当某一个数组中的某个数值发生从“0”向“1”的状态变化时，相应于该数组的通态最小脉宽时间计时器开始计时；状态5.3，当某一个数组中的某个数值发生从“1”向“0”的状态变化时，相应于该数组的阻态最小脉宽时间计时器开始计时；步骤6各计时器的数值小于对应的计时器设定值的时间内，对应的CPLD芯片输出的PWM驱动信号维持原状态，否则，CPLD芯片输出的PWM驱动信号与主控板输入CPLD芯片的信号相同，返回步骤2；步骤7CPLD执行过渡脉冲控制流程在封脉冲时，过渡脉冲控制时间计时器开始计时，并把数组PWMu[]、PWMv[]、PWMw[]全部赋值为
，然后执行步骤5和步骤6，一直到过渡脉冲时间计时器的数值达到通态最小脉宽时间tonmin时，把所述数组全部赋值为
并回到步骤2，其中，所述的过渡脉冲即所述芯片CPLD输出的三电平变换器逆变电路的PWM驱动信号。
全文摘要
本发明属于IGCT中高压三电平变换器技术领域，其特征在于在主控板与IGCT中高压三电平变换器之间接入一个CPLD芯片和与该芯片相串接的光纤驱动电路，用一个CPLD芯片把死区时间控制、最小脉宽控制和过渡脉冲控制三种方法有机结合起来，使该变换器在封脉冲过程中同时避免发生桥臂直通、单个器件开关动作时间过短以及单个器件承受全边直流母线电压等现象，保证开关器件和变换器的安全、正常工作。本发明还依据IGCT器件特性、吸收电路参数来确定死区时间以及通态和阻态最小脉宽时间的设定值，使其同时满足IGCT和吸收电路中器件工作的要求，具有易于实现、可靠性高的优点。
文档编号H02H7/10GK1747273SQ20051008634
公开日2006年3月15日 申请日期2005年9月2日 优先权日2005年9月2日
发明者袁立强, 崔志良, 张怀晟, 白华, 杨志, 赵争鸣 申请人:清华大学, 国电南京自动化股份有限公司