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CN1441989A - 用于与电源连接的闸流管电桥的保护电路 - Google Patents

用于与电源连接的闸流管电桥的保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于与电源连接的闸流管电桥的保护电路，该电路为与它相连接的能量回路提供能量并从该回路中得到反馈，该电路连接在闸流管电桥与能量回路之间。在保护电路的纵向支路中设置至少一个带有反并联二极管(D1，D2；D1p)的、与反馈方向同极性的IGBT三极管(GT1，GT2)，当出现引入三极管所属的控制电路(AST)的翻转识别信号(sk，Us1)时，该三极管可以截止。

Description

用于与电源连接的闸流管电桥的保护电路
本发明涉及一种用于与电源连接的闸流管电桥的保护电路，该电路用于向与它相连接的能量回路提供能量并且从该回路中得到反馈，该电路连接在闸流管电桥与能量回路之间。
许多情况下，三相交流电网中用于能量反馈的闸流管电桥与一个供电电桥反并联，该供电电桥将三相电力网中的三相电压转化为反相换流器所需的间接回路直流电压(Zwischenkreis-Gleichspannung)，反相换流器为三相电机供电。例如，当需要电机制动时，间接回路中的能量将通过反馈电桥反馈回三相电网中。本发明涉及以同样的方式使用闸流管电桥将能量从直流电网，例如光电设备的直流电网或直流电机的制动能量，向三相电网传递。
Franz Zach在《Leistungselektronik》(施普林格出版社，维也纳——纽约1979)一书中介绍了这种类型的电桥和它的相关理论，另外，在AT 404 414 B中，申请人介绍了利用电桥控制电路识别翻转现象以防止横向击穿(Querzuenden)的方法。
图1所示为根据现有技术的包括供电电桥B和反馈电桥B’的复式电桥。供电电桥包括每两个同向串联的闸流管V4、V1；V6、V3和V2、V5。每对串联的闸流管两端的电压为Ug，该电压也是间接回路电容Czk两端的电压。在电容Czk和电桥之间接有一个间接回路保险丝Fzk，在某些情况下还接有一个间接回路扼流圈Lzk。反馈电桥B’的每对闸流管V4’、V1’；V3’、V6’；V5’、V2’之间的连接点通过整流扼流圈Lkr，Lks和Lkt以及电源保险丝FN分别连接到三相电网的相R、S、T上。
闸流管V1，…，V6通过一个图中未表示出来的闸流管控制电路THS与电网同步触发，其中闸流管的编号与相R，S，T处的右旋场中的触发次序相对应。通常情况下，控制电路也是控制回路中的一部分，其中例如可以通过推移闸流管的触发时间点来调节直流电压Ug。
当使用闸流管为一个直流电机供电时，该直流电机接在间接回路电容的位置。这种使用情况下，电压的符号经常发生改变，工作状态可能出现在全部的四个象限中。
在三相电网的电压过低或间接回路电压Ug过高的情况下，当向三相电网进行能量反馈时可能发生所谓的“反相换流器翻转”现象，在上述Zach的文献中可以查到(p.236.f)。此时，将发生以下过程。
当电流的电网相位为RS(电网电压URS)时，电桥中的一对闸流管，例如V1和V6导通。在下一个周期中，当向闸流管V2发出触发脉冲后，间接回路电流Id将由V6转为向V2流动，进行整流，其间闸流管V1还继续导通。耦合电压UST的瞬时值作为整流电压。
这里需要注意的是，在向闸流管V2发出触发脉冲的同时也需要向闸流管V1发出第二个触发脉冲，因为每个闸流管在稳定工作状态下，应在2/6个电网周期内导通。但是该第二脉冲仅用于在间歇缺电流(Lueckend Strom)的情况下确保有电流通过。在理想情况下，即不出现间歇电流时，这样的第二脉冲是不必要的，因为已触发的闸流管保持导通直至电流为零。
如果由于上述某一项原因，例如由于电网的电压不足，将使得整流失效，闸流管V1和V6中的电流继续保持并且该电流的值不断增大，另外有效电压URS将不断正向增大，而间接回路电容Czk的驱动电压Ug将不断负向增长，上述过程称为“反相换流器翻转”。
由“电网R相-闸流管V1-间接回路电容Czk-闸流管V6-电网S相”所组成的回路的电流升高由电感有效值决定，该有效电感包括：整流扼流圈LKR+LKS+电网阻抗—间接回路扼流圈LZK。在一定的时间之后，即在回路中通过一定的过电流时，电源引线中的保险丝FN，或间接回路中的保险丝FZK，或一个没有表示出来的与闸流管串联的保险丝将熔断，切断电流，保护闸流管V1和V6。
如果保险熔断时间过长，以至于在切断电流前根据触发次序下一个闸流管已经被触发，例如上例中的闸流管V3，则出现了所谓的“横向击穿”，这时间接回路的电压Ug将直接通过两个闸流管而短路(上例中的闸流管V3和V6)。此时在“闸流管V6-闸流管V3-间接回路电容Czk”所组成的回路中不存在扼流圈LZK，电流的上升只能通过间接回路的导线电感来限制。由于通常情况下导线电感的值很小，从而电流的上升很迅速，使得间接回路中的保险丝FZK或与闸流管串联的保险丝不能对闸流管起到保护作用。如果直流电网中的能量足够大(这里的间接回路电容Czk所存储的能量)，在保险丝切断电源前将出现横向击穿现象，破坏相应的闸流管，例如上例中的V3和V6。
换流器翻转作为与电网连接的换流器电路的基本特性是不可避免的，但是正确选择电源保险丝、间接回路保险丝和闸流管支路保险丝虽不能完全避免，却可以大大减少闸流管损坏的发生。
如上所述的作为“换流器翻转”结果的“横向击穿”并不出现在所有按上述触发次序导通的闸流管电流传导中。“横向击穿”对闸流管的损害可以通过间接回路中限制电流增长的相应设计的扼流圈LZK加以避免，或通过AT 404 414中的电路加以避免。AT 404 414中的电路可以识别换流器翻转的发生，据此发出触发脉冲阻断相应的闸流管。
根据图1，将各个闸流管上的电压引入到闸流管控制电路THS中的测量与估值电路MAS，MAS将得到的值送入到触发电路ZUN中。例如图1所示的电路将提供一个翻转识别信号Sk，这对于本发明同样是重要的。
本发明的任务是尽量避免使用常规的开关元件，例如保险丝、机械式瞬时开关、或昂贵的强制换向开关、以及限流扼流圈，并减少电路的开销以及用于单个使用实例中的设计工作量。
该任务通过开始时所提到的类型的电路来实现，根据本发明，在保护电路的纵向分支中设置了至少一个带有反并联二极管的与反馈方向同极性的IGBT三极管，当出现翻转识别信号时(该翻转识别信号引入该三极管所属的控制电路)，反并联二极管可以截止。
由于实施本发明，当出现翻转电流时可以迅速切断电路，从而避免发生严重的和/或成本高昂的运行故障，即使当间接电路的电感很低时，例如小于100μH，该方法也十分有效。
考虑到能量反馈可能也是由于输出电压的翻转所引起的，提供了一种有利的变型，在保护电路的纵向支路中设置两个反极性串联的IGBT三极管。
在另一种由于同样的原因具有优点的实施方式中，在其纵向支路中设置有一个与第一辅助三极管串联连接的第一IGBT三极管，与所述第一串联电路并联一个第二串联电路，该第二串联电路由第二IGBT三极管和第二辅助二极管串联组成，在每个串联电路中三极管和二极管极性相同，但一个串联电路中的三极管和二极管与另一个串联电路中的二极管和三极管的极性相反。
为在各种情况下避免内部反并联二极管过载，可以在每个IGBT三极管的反并联二极管处并联一个外部二极管。这样也可以减少供电方向上的损耗。
考虑到可能出现的有害的过电压情况，特别是电网阻抗和/或直流回路的开关操作过程出现的过电压情况，建议在输入和/或输出端通过过压保护放电器进行保护，或在IGBT三极管的集射极跨距(Kollektor-Emitter-Strecke)中通过过压保护放电器进行保护。
由于闸流管的控制电路中无法提供换流器翻转信号，或导出的信号微弱，建议了一种实施例，其中翻转识别信号由闸流管控制电路提供。
如果翻转识别信号的值超过了至少一个IGBT三极管的饱和电压，则一个由于其他原因出现的过高纵向电流也可以当作换流器翻转而被识别出来。
下文将结合附图详细说明本发明以及它的其他优点，其中：
图1：根据现有技术的复式闸流管电桥，
图2：一种使用单一IGBT三极管的本发明实施方式的原理电路图，
图3：图2中所示实施方式的一种具体变型，接有一个外部二极管和一个过压保护放电器，
图4：一种使用两个串联的IGBT三极管的本发明实施方式，
图5：本发明的另一种使用两个串联的IGBT三极管的实施方式，
图6：一种类似于图2所示的实施方式，其中只在反馈回路中设置保护电路。
图2所示为一个如发明所述的保护电路SCH，它接在与电网相连接的闸流管电桥B，B’(见上面图1的说明)与一个间接回路或带有间接回路电容CZK和负载LAS的负载回路之间。保护电路的纵向支路由IGBT三极管GT1和一个与它的导通方向相反并联的二极管，即所谓的反并联二极管D1组成。通常，该二极管D1与三极管GT1集成在一个外壳内。
控制电路AST用于控制三极管GT1，本例中由闸流管控制电路THS发出一个翻转识别信号SK，翻转识别信号引入控制电路AST。此外也可以如图2中所示，将三极管GT1的集电极和发射级之间的电压Us1接入控制电路AST。
工作中，三极管GT1也可以在供电运行阶段通过控制信号sa1保持持续接通。供电方向上的电流流过反并联二极管D1，从而使供电附加损耗小于流过三极管GT1时的反馈附加损耗。对IGBT三极管GT1的控制以及它的集射极电压响应可通过适当的电位分离(potentialtrennend)电路实现，例如通过光电耦合器或光波导体实现。
如果出现反相换流器翻转并由此出现信号sK，则信号sa1将使三极管GT1截止。另外，当很高的电流流经三极管GT1时，也可以将GT1的饱和电压作为参考标准，以使三极管在电流过大时截止——这也是反相换流器中可能出现的现象。在各种情况下，可以通过使用IGBT三极管对整流设备以及保险丝进行保护，省去特定的翻转识别信号sk而使用上述的饱和电压作为截止的依据。
为提高整流设备的可使用性，IGBT三极管在截止后可以再次导通。反相换流器翻转只导致短暂的电压中断，不会影响设备的工作过程。
图3所示为一种用于提高效率和安全性的附加措施。由于市场上常见的IGBT三极管所附带的集成反并联二极管D1一般小于三极管的集射极跨距，并且可能出现比分立设置的二极管高的正向电压，可以根据实际要求，通过并联一个更大的外部二极管D1p提高支路的电流导通能力并减小反馈方向上的损耗。
图3中还使用了一个过压保护放电器，在接入到电网阻抗和/或直流间接回路的过程中出现有害的过电压时，它的保护意义更显得重要。这里保护电路SCH的输入端通过过压保护放电器USE得到保护，输出端通过过压保护放电器USA得到保护，三极管GT1的集射极跨距通过过压保护放电器US1得到保护。用于其他电压和电流范围的这类过压保护放电器也可以买到，并且通常构成为压敏电阻器形式。
如果能量反馈只是通过电流反向来进行，而不是通过输出电压反向来进行，则在保护电路的纵向支路中只需要一个IGBT三极管，如图2和图3所示。如果直流驱动的运行状态处于四个象限中，则电流和电压均可以发生反向。在这种情况下需要使用两个IGBT三极管，如图4和图5所示。
图4中保护电路SCH的纵向支路内串联两个IGBT三极管GT1和GT2，它们的极性相反。与图3类似，也设置了过压保护放电器USE、USA、US1和US2。在这里所表示的实施方式中，使用了与三极管GT1、GT2分别极性相反的集成反并联二极管D1和D2，用以导通电流。这里的负载是一个带有前联扼流圈的反馈直流电机M。控制信号以sa1，sa2来表示，集射极电压以Us1和Us2来表示。
如果内部二极管D1和D2的电流导通能力过小，可以按照图5中的电路图使用两个辅助二极管D1h、D2h对内部D1和D2去耦。可见，在供电方向上的电流流过IGBT三极管GT2和二极管D2h，在反馈方向上的电流流过二极管D1h和IGBT三极管GT1。
本发明中所述的保护电路可以直接安装在整流设备内部或可选地安装在设备外部的直流导线处。本领域技术人员可在本发明保护范围内对图中所示的电路进行修改。例如当电流过大时可将IGBT三极管改为并联连接方式。
图6中所示的实施例符合图2或图3的原理，但是设备内部的保护电路仅设在反馈支路中。这种实施例的优点在于，在供电支路中，电流不必通过反并联二极管D1，从而在该方向上不存在附加损耗。另外，这里不需要使用图3示例中的二极管D1p。

Claims (8)

1.用于与电网连接的闸流管电桥(B，B’)的保护电路(SCH)，该电路为与它相连接的能量回路提供能量并且从该回路中得到反馈，该电路连接在闸流管电桥与能量回路之间，其特征在于，
在保护电路的纵向支路中设置至少一个带有反并联二极管(D1，D2；D1p)的、与反馈方向同极性的IGBT三极管(GT1，GT2)，当出现翻转识别信号(sk，Us1)时，该三极管可以截止电路，翻转识别信号被引入三极管所属的控制电路(AST)。
2.如权利要求1所述的保护电路(SCH)，其特征在于，在保护电路(SCH)的纵向支路中设置串联的两个极性相反的IGBT三极管(GT1，GT2)。
3.如权利要求1所述的保护电路(SCH)，其特征在于，在保护电路的纵向支路中将第一IGBT三极管(GT1)与第一辅助二极管(D1h)串联，与该第一串联电路并联一个第二串联电路，它由第二IGBT三极管(GT2)和第二辅助二极管(D2h)串联组成，其中在每个串联电路中，二极管与三极管的极性相同，但一个串联电路中的二极管和三极管与另一个串联电路中的二极管和三极管的极性相反。
4.如权利要求1至3中任一项所述的保护电路(SCH)，其特征在于，IGBT三极管(GT1)的反并联二极管(D1)与外部二极管(D1p)并联连接。
5.如权利要求1至4中任一项所述的保护电路(SCH)，其特征在于，该保护电路的输入和/或输出端通过过压保护放电器(USE，USA)进行保护。
6.如权利要求1至5中任一项所述的保护电路(SCH)，其特征在于，至少一个IGBT三极管(GT1，GT2)的集射极跨距通过过压保护放电器(US1，US2)进行保护。
7.如权利要求1至6中任一项所述的保护电路(SCH)，其特征在于，由闸流管电桥(B，B’)的控制电路(THS)给出翻转识别信号(Sk)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的保护电路(SCH)，其特征在于，将至少一个IGBT三极管(GT1，GT2)的饱和电压值作为翻转识别信号(sk)。
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