一种确定H桥模块的安全工作区和级联型多电平变换器的系统安全工作区的方法

摘要

本发明公开了一种确定H桥模块的安全工作区的方法和一种确定级联型多电平变换器的系统安全工作区的方法，所述确定H桥模块的安全工作区的方法包括：获取所述H桥模块的开关器件、二极管和电容的特征参数；获取所述开关器件的安全工作边界条件；根据所述开关器件、电容和二极管的特征参数，以及所述开关器件的安全工作边界条件获取所述开关器件的模块安全工作区；获取所述二极管的模块安全工作区；根据所述开关器件的模块安全工作区和所述二极管的模块安全工作区的交集获取所述H桥模块的安全工作区。由此，可以精确地对器件特性进行描述，从而准确地确定器件在变换器中的安全工作范围。

说明书

技术领域

本发明涉及电子电力变换器技术领域，具体涉及一种确定H桥模块的安全工作区和级联型多电平变换器的系统安全工作区的方法。

背景技术

级联型多电平变换器以其模块化、可扩展和便于冗余容错设计等优势在大功率场合得到了广泛应用。在级联型多电平变换器的设计中，系统安全工作区是系统设计和器件选型的基础。根据特定型号器件可以计算单个模块的安全工作范围，在安全工作区允许的条件下，可以按照变换器的容量和电压等级选择器件电压电流、模块数和各个模块的额定工作点，得到最优的系统设计方案，使系统成本和体积尽量小。模块工作时的保护阈值根据系统安全工作区及运行区来设置，保证系统的安全和可靠性。如果计算得到的系统安全工作区比实际变换器可安全运行的最大区域范围大，则按照此系统安全工作区设计的变换器有发生故障和失效的风险，可靠性不足；如果计算得到的系统安全工作区比实际变换器可安全运行的最大区域范围小，则失去提高器件的利用率的优势，按照此系统安全工作区设计模块化多电平级联变换器会使得模块数增多，或者单个模块需要选择更大容量的器件，导致模块化多电平级联变换器成本急剧上升，体积过大，占地增加，甚至在运行过程中频繁触发保护。因此，能否准确地界定系统安全工作区尤为重要。

而传统的余量设计方法，把功率半导体器件(一般为IGBT器件)本身的安全工作区等同于系统的安全工作区，而在选择器件时根据经验将变换器工作的电压电流放大一定余量，得到所需用器件的额定电压电流。这种方法为了保证器件和装置的可靠性，往往选择过大的余量，降低了器件利用率。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，传统的余量设计法的器件利用率低。

为此，本发明实施例提供了一种确定H桥模块的安全工作区的方法，所述H桥模块包括开关器件、二极管和电容，且将所述电容两端的电压和流过所述电容的电流定义为所述H桥模块的工作点，所述方法包括：获取所述开关器件、二极管和电容的特征参数；获取所述开关器件的安全工作边界条件，所述开关器件的安全工作边界条件是所述开关器件的电流和电压与所述开关器件在预设结温时允许的最大电流、最大电压之间的关系；根据所述开关器件、电容和二极管的特征参数，以及所述开关器件的安全工作边界条件获取所述H桥模块的工作点与所述开关器件在所述预设结温时允许的最大电流、最大电压之间的关系，即所述开关器件的模块安全工作区；获取所述二极管的模块安全工作区；根据所述开关器件的模块安全工作区和所述二极管的模块安全工作区的交集获取所述H桥模块的安全工作区。

可选的，所述开关器件、二极管和电容的特征参数包括：所述电容的电流上升率，所述电容的电压上升率，所述开关器件在其响应所述H桥模块的故障而关断的过程中的电流上升率，所述电容的杂散电感，所述开关器件内部的杂散电感，所述开关器件在短路过程中的电压平均值与所述电容的电压平均值的比值，所述二极管反向恢复所允许的最大工作电流。

可选的，所述电容的电流上升率当所述H桥模块发生软断路故障时，是：

其中，i_DC是流过所述电容的电流，是所述电容的电流上升率，v_DC是所述电容两端的电压，L_σ是所述开关器件的杂散电感，L_ls是串联于所述H桥桥臂的电感，L_DC为所述电容的杂散电感；

当所述H桥模块发生硬断路故障时，是：

其中，L_SC为所述H桥模块输出端短路电感，n_SC为所述开关器件在短路过程中的电压平均值与所述电容的电压平均值的比值；

所述电容的电压上升率当所述H桥模块发生软断路或硬断路故障时，是：

其中，是所述电容的电压上升率；

所述开关器件在其响应所述H桥模块的软断路或硬短路故障而关断的过程中的电流上升率是：

其中，i_C是所述开关器件的电流，是所述开关器件在关断过程中的电流上升率，t_f是所述开关器件在关断过程中的电流下降时间，t+Δt是所述开关器件关断的时刻。

可选的，所述开关器件的安全工作边界条件是：

其中，v_CE是所述开关器件的电压，I_lim(T_j)是所述开关器件在结温为T_j时允许的最大电流，U_lim(T_j)是所述开关器件在结温为T_j时允许的最大电压。

可选的，所述根据所述开关器件、电容和二极管的特征参数，以及所述开关器件的安全工作边界条件获取所述H桥模块的工作点与所述开关器件在所述预设结温时允许的最大电流、最大电压之间的关系包括：

将由所述式(5)表示的开关器件的安全工作边界条件变换为：

将所述电容的电流上升率所述电容的电压上升率所述开关器件在关断的过程中的电流上升率代入式(3)和(4)中，当所述H桥模块发生的故障是软短路时，得到：

其中，将式(6)中的I_lim(T_j)替换为开关器件的反偏安全工作区限制的电流I_{lim_RB}(T_j)；

将式(8)写成矩阵形式

其中系数矩阵A_RB为

当所述H桥模块发生的故障是硬短路时，得到：

其中，将式(6)中的I_lim(T_j)替换为开关器件的短路安全工作区限制的电流I_{lim_SC}(T_j)；

将式(11)写成矩阵形式

其中系数矩阵A_SC为

可选的，所述二极管的模块安全工作区为；

其中I_{lim_RR}(T_j)是所述二极管反向恢复允许的最大工作电流，系数矩阵A_RR为

A_RR＝(1>RR(T_j))>

其中k_RR是表示最大工作电流下降的电压系数。

可选的，所述开关器件包括IGBT器件。

本发明实施例还提供了一种确定级联型多电平变换器的系统安全工作区的方法，所述级联型多电平变换器的输出端由m个H桥模块交流输出端串联构成，其中m>2，且将所述级联型多电平变换器输出端的交流电压有效值V_N和输出端的交流电流有效值I_N定义为所述级联型多电平变换器的工作点，其特征在于，包括：

分别根据上述任一种确定H桥模块的安全工作区的方法获取每个H桥模块的安全工作区[v_DC(t),i_DC(t)]；

则所述级联型多电平变换器的系统安全工作区[I_N,V_N]为

其中，k₁为所述H桥模块的谐波系数，k₂为所述级联型多电平变换器的起动电流系数，k₃为所述H桥模块电容电压的波动系数

本发明实施例的确定H桥模块的安全工作区和级联型多电平变换器的系统安全工作区的方法，根据开关器件在执行保护动作(即关断)时承受的电压电流不能超过其极限值，从而推导出系统运行时安全工作区域。

另一方面，通过考虑结电容、开关器件短路时的退饱和过程、以及二极管的方向恢复极限，可以更精确地对器件特性进行描述，从而更准确地确定器件在变换器中的安全工作范围。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例的确定H桥模块的安全工作区的方法的流程图；

图2是图1所示实施例中采用的H桥模块的电路图；

图3是根据本发明实施例的确定H桥模块的安全工作区的方法而获得的安全工作区的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明一实施例提供的确定H桥模块的安全工作区的方法，所述H桥模块例如如图2所示，可以包括开关器件T1-T4、二极管和电容，具体地，该方法可以是H桥模块中开关器件在执行故障保护(即关断)时限制的安全工作区，将所述电容两端的电压和流过所述电容的电流定义为所述H桥模块的工作点，所述方法包括：

S1.获取所述开关器件、二极管和电容的特征参数；具体地，特征参数包括：所述电容的电流上升率，所述电容的电压上升率，所述开关器件在其响应所述H桥模块的故障而关断的过程中的电流上升率，所述电容的杂散电感，所述开关器件内部的杂散电感，所述开关器件在短路过程中的电压平均值与所述电容的电压平均值的比值，所述二极管反向恢复所允许的最大工作电流。

S2.获取所述开关器件的安全工作边界条件，所述开关器件的安全工作边界条件是所述开关器件的电流和电压与所述开关器件在预设结温时允许的最大电流、最大电压之间的关系。

S3.根据所述开关器件、电容和二极管的特征参数，以及所述开关器件的安全工作边界条件获取所述H桥模块的工作点与所述开关器件在所述预设结温时允许的最大电流、最大电压之间的关系，即所述开关器件的模块安全工作区。

S4.获取所述二极管的模块安全工作区。

S5.根据所述开关器件的模块安全工作区和所述二极管的模块安全工作区的交集获取所述H桥模块的安全工作区。

本发明实施例的确定H桥模块的安全工作区和级联型多电平变换器的系统安全工作区的方法，根据开关器件在执行保护动作(即关断)时承受的电压电流不能超过其极限值，从而推导出系统运行时安全工作区域。

可选的，所述电容的电流上升率当所述H桥模块发生软断路故障时，是：

其中，i_DC是流过所述电容的电流，是所述电容的电流上升率，v_DC是所述电容两端的电压，L_σ是所述开关器件的杂散电感，L_ls是串联于所述H桥桥臂的电感，L_DC为所述电容的杂散电感；

当所述H桥模块发生硬断路故障时，是：

其中，L_SC为所述H桥模块输出端短路电感，n_SC为所述开关器件在短路过程中的电压平均值与所述电容的电压平均值的比值；

所述电容的电压上升率当所述H桥模块发生软断路或硬断路故障时，是：

其中，是所述电容的电压上升率；

所述开关器件在其响应所述H桥模块的软断路或硬短路故障而关断的过程中的电流上升率是：

其中，i_C是所述开关器件的电流，是所述开关器件在关断过程中的电流上升率，t_f是所述开关器件在关断过程中的电流下降时间，t+Δt是所述开关器件关断的时刻。

所述开关器件的安全工作边界条件是：

其中，v_CE是所述开关器件的电压，I_lim(T_j)是所述开关器件在结温为T_j时允许的最大电流，U_lim(T_j)是所述开关器件在结温为T_j时允许的最大电压。

可选的，所述根据所述开关器件、电容和二极管的特征参数，以及所述开关器件的安全工作边界条件获取所述H桥模块的工作点与所述开关器件在所述预设结温时允许的最大电流、最大电压之间的关系包括：

将由所述式(5)表示的开关器件的安全工作边界条件变换为：

将所述电容的电流上升率所述电容的电压上升率所述开关器件在关断的过程中的电流上升率代入式(3)和(4)中，当所述H桥模块发生的故障是软短路时，得到：

其中，将式(6)中的I_lim(T_j)替换为开关器件的反偏安全工作区限制的电流I_{lim_RB}(T_j)；

将式(8)写成矩阵形式

其中系数矩阵A_RB为

当所述H桥模块发生的故障是硬短路时，得到：

其中，将式(6)中的I_lim(T_j)替换为开关器件的短路安全工作区限制的电流I_{lim_SC}(T_j)；

将式(11)写成矩阵形式

其中系数矩阵A_SC为

可选的，所述二极管的模块安全工作区为；

其中I_{lim_RR}(T_j)是所述二极管反向恢复允许的最大工作电流，系数矩阵A_RR为

A_RR＝(1>RR(T_j))>

其中k_RR表示最大工作电流下降的电压系数。

可选的，所述开关器件包括IGBT器件。

本发明实施例还提供了一种确定级联型多电平变换器的系统安全工作区的方法，所述级联型多电平变换器的输出端由各H桥模块交流输出端串联构成，且将所述级联型多电平变换器输出端的交流电压有效值V_N和输出端的交流电流有效值I_N定义为所述级联型多电平变换器的工作点，包括：

分别上述任一种确定H桥模块的安全工作区的方法获取每个H桥模块的安全工作区；

考虑运行中模块电容电压波动，启动电流和电流谐波，假设级联多电平变换器每一相包括m个H桥模块(m>2)，认为级联型多电平变换器输出端的交流电流有效值I_N和输出端的交流电压有效值V_N与H桥模块最大电压和最大电流有如下关系

其中，k₁为所述H桥模块的谐波系数，k₂为所述级联型多电平变换器的起动电流系数，k₃为所述H桥模块电容电压的波动系数，均由级联型多电平变换器的控制参数决定。

以下通过一个具体的计算安全工作区的例子，详细说明本发明实施例。

当器件执行保护动作时承受的电应力在其安全工作区边界上时，对应的H桥模块运行状态采样值就是系统安全工作区的边界。以H桥模块执行一次保护动作的过程，来分析系统安全工作区与系统元素间的定量关系。

1.确定H桥模块中IGBT器件在执行故障保护时限制的安全工作区。

当器件执行保护动作时承受的电应力在其安全工作区边界上时，对应的H桥模块运行状态采样值就是系统安全工作区的边界。以H桥模块执行一次保护动作的过程，来分析系统安全工作区与系统元素间的定量关系。

对IGBT，考虑对H桥模块输出能力要求最高的两种情况：软短路与硬短路。对二极管，考虑其发生反向恢复最恶劣的工况：二极管在负载电流达到峰值时关断。

1.1计算H桥模块IGBT器件在执行故障保护时电压电流的表达式

定义H桥模块的工作点为[v_DC(t),i_DC(t)]，代表了模块电容两端电压和流过电容的电流，电容电压可以被直接测量出来，而电容电流可以被间接的测量出来。采样电路在t时刻对直流母线电压v_DC、电流i_DC进行采样并发现故障，经过控制延迟Δt时间后，器件在t+Δt时刻执行关断动作。

t+Δt时刻IGBT器件两端电压v_CE(t+Δt)与i_C(t+Δt)不能够超出其极限工作范围，因此有

目标是用(5)式的边界条件，得到H桥模块的工作点[v_DC(t),i_DC(t)]和I_lim(T_j)和U_lim(T_j)之间的关系，也就是系统安全工作区的边界。

因此下面步骤都是在推导H桥模块的工作点为[v_DC(t),i_DC(t)]和t+Δt时刻IGBT器件两端电压v_CE(t+Δt)与i_C(t+Δt)之间的关系。

t+Δt时刻IGBT器件两端电压v_CE(t+Δt)与i_C(t+Δt)与工作点[v_DC(t+Δt)，i_DC(t+Δt)]的关系为

i_C(t+Δt)＝i_DC(t+Δt)>

其中L_DC为开关回路杂散电感。

[v_DC(t+Δt)，i_DC(t+Δt)]和[v_DC(t),i_DC(t)]有如下关系

把(18)(19)代入(16)(17)，消去[v_DC(t+Δt)，i_DC(t+Δt)]，再根据(5)，有

接下来需要知道(6)(7)中这三个量与[v_DC(t),i_DC(t)]的关系。

1.2确定H桥模块输出端软短路和硬短路时的电流上升率

首先假定级联H桥桥臂通过纯感性负载发生短路，H桥模块的左桥臂上管和右桥臂下管导通，对负载电感充电，基尔霍夫电压定律可知电流上升率为

假定级联H桥桥臂输出端发生硬短路，左桥臂上管和右桥臂下管直接导通，短路电感为L_SC，考虑器件在硬短路条件下发生退饱和，由基尔霍夫电压定律可知电流上升率为

具体地，硬短路过程中如果器件电流较高，则IGBT器件退饱和，器件两端产生一定压降，反过来限制短路电感上的电流上升率，限制实际关断时刻的电流。为了避免引入电压和电流的交叉耦合项，认为器件电流在上升到短路安全工作区边界的这一段延迟时间中，器件平均电压为直流母线电压的n_SC倍(n_SC≤1)。n_SC值由退饱和实验结果估计和校准。

1.3确定H桥模块输出端软短路和硬短路故障时限制的安全工作区对IGBT在关断过程中电流的上升率作近似线性化处理，可以近似为

其中t_f为器件关断过程中的电流下降时间。

由于H桥模块直流母线电压的泵升速度十分缓慢，近似等于0。

软短路条件下，(5)中的I_lim(T_j)取成是IGBT器件的反偏安全工作区限制的电流I_{lim_RB}(T_j)

将(1)(4)和(3)代入(6)和(7)，得到

写成矩阵形式得到软短路确定的系统安全工作区为

其中I_{lim_RB}(T_j)是IGBT器件的反偏安全工作区限制的电流，U_lim(T_j)是器件能够承受的极限电压，系数矩阵A_RB

硬短路条件下，(5)中的I_lim(T_j)取成是IGBT器件的短路安全工作区限制的电流I_{lim_SC}(T_j)

将(2)(4)和(3)代入(6)和(7)，得到

写成矩阵形式得到硬短路确定的系统安全工作区为

其中I_{lim_SC}(T_j)是由IGBT器件的短路安全工作区限制的电流，系数矩阵A_SC

2、确定H桥模块中二极管反向恢复限制的安全工作区

二极管反向恢复发生在IGBT开通的条件下，但是软短路和硬短路均只考察了对IGBT关断时要求最高的情况。对二极管，其发生反向恢复最恶劣的工况发生在IGBT开通最大负载电流的时刻。通常情况下，硬短路和软短路的条件已经能够使得IGBT在变换器中的运行区距离其器件安全工作区边界有一定的距离，二极管的运行区也相应地在其反向恢复安全工作区之内。但实际电路中由于驱动、杂散参数等因素造成的IGBT的电流变化率过大，可能出现二极管超过反向恢复安全工作区进而导致器件失效的现象。这里对这类情况也进行考虑。

假设二极管反向恢复在当前电路的di/dt之下允许的最大工作电流I_{lim_RR}(T_j)，则有

i_DC(t)≤I_{lim_RR}(T_j)>

随着母线电压升高，最大工作电流I_{lim_RR}(T_j)会有所下降，引入系数k_RR来表征该现象，从而将式(20)修改为(21)的形式。

i_DC(t)+k_RRv_DC(t)≤I_{lim_RR}(T_j)>

写成矩阵形式为：

其中系数矩阵A_RR

A_RR＝(1>RR(T_j))>

这里针对已选定的4500V/1800A的IGBT器件用本发明实施例的方法计算其系统安全工作区以便设计运行区域和保护阈值。

计算H桥模块系统安全工作区的参数如表1所示。开关回路杂散电感L_DC可以通过部分单元等效电路(PEEC)法计算，也可以通过IGBT开关瞬态波形估算。器件自身杂散电感L_σ、IGBT反偏安全工作区最大可关断电流I_{lim_RB}、IGBT短路安全工作区最大可关断电流I_{lim_SC}、IGBT耐压U_lim、关断电流下降时间t_f由器件厂商数据手册给出，也可以通过实验测定。通过实验测量得到二极管反向恢复电流和导通电流的关系，对应数据手册中二极管的反向恢复安全工作区给出的反向恢复电流与电压曲线，可得到二极管反向恢复限制的最大工作电流I_{lim_RR}、二极管反向恢复电压系数k_RR。n_SC值由与硬短路相同条件下的退饱和实验结果估算得到。软短路电感L_ls和硬短路电感L_SC依据实际变换器的工况设定。控制延迟Δt为采样电路延迟时间和器件关断延迟时间之和。

表1 H桥模块系统安全工作区计算参数

计算得到的H桥模块的系统安全工作区如图3所示，图中SSOA条纹部分即为系统安全工作区，表现为由软短路、硬短路和二极管反向恢复三种工况约束区域的交集，在系统安全工作区之内可以划定系统运行区域。

在系统安全工作区中划定一个方形区域作为实际系统的运行区，并用于设置保护阈值。改进方法得到的系统安全工作区中可划定的最大运行范围为

以35kV，±200Mvar的STATCOM系统的初步设计为例，采用使用双三角接法的级联H桥结构，则H桥上电流为1905/2＝953A。考虑运行中模块电容电压波动，启动电流和电流谐波，模块的额定电流与级联型多电平变换器输出端的额定电流相同，为I_N；模块的输出交流电压有效值为V_C，I_N和V_C与H桥模块最大电压和最大电流有如下关系

假设每一相的模块数为m，则级联H桥输出端的交流电压有效值V_N和模块的输出交流电压有效值为V_C有如下关系

V_N＝mV_C>

其中，k1为谐波系数，k2为起动电流系数，k3为电容电压的波动系数，均由控制参数决定，取值如表2所示。

表2 电压电流系数取值

由此计算得到使用4500V/1800AIGBT的H桥模块的最大额定电流和电压，并选择模块数。依据模块输出的最大交流电压选择模块数，考虑设置1～2个冗余模块。从而得到整个系统模块数和器件个数如表3所示。

表3 本方法计算得到的STATCOM各相模块数及器件个数

在上述实施例中，

1、考虑了IGBT器件短路的退饱和过程，扩大了模块输出端硬短路限制的安全工作区范围。

2、考虑了二极管的反向恢复极限，保证了二极管工作的可靠性。

3、所得系统安全工作区用于设计时，能减小系统模块数，或降低器件规格，大大降低系统体积和成本。

4、所得系统安全工作区得到的保护阈值，可以避免系统在运行过程中频繁触发保护。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。