基于矩陣變換器IGBT的集中式過流保護電路設計

圖1所示是矩陣變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，這是一個18開關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)，它需要18個IGBT和18個二極管。在整流級的三個橋臂上，每個橋臂都由2個雙向開關(guān)、4個IGBT和4個二極管構(gòu)成。因此，集中式過流檢測就只能在整流級的輸入進行，那里為交流信號，可以通過以下電路進行檢測。然而，在逆變級，每個橋臂由2個IGBT和2個二極管構(gòu)成，其集中式過流保護監(jiān)測也設置在輸入環(huán)節(jié)，即在輸入直流母線上進行檢測。

在逆變級中，集中式過流保護電路的任務是檢測輸入直流母線上的電流。而不必對每個IGBT分別進行過流檢測保護。當該電流值超過設定的閾值時，系統(tǒng)將封鎖整個逆變級IGBT的驅(qū)動信號。圖2所示為集中式過流保護電路的原理圖。該電路將電流檢測點設置在直流輸入側(cè)，檢測元件采用日本HINODE公司的直測式霍爾效應電流傳感器HAP8―200／4，可檢測直流側(cè)電壓的瞬時值。HAP8―200／4需要±15V的供電電源，額定電流為+_200 A，飽和電流在450 A以上，額定輸出電壓為±4 V，di／dt響應時間在10μs以下。在正常情況下，集中式過電流保護電路的輸出(0C)為高電平。而一旦直流母線的電流超過設定的閾值，比較器的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，然后?jīng)過R2、C2的延遲，0C將由高電平變?yōu)榈碗娖?。這個低電平信號將使封鎖電路有效，以封鎖整流級橋臂的所有IGBT驅(qū)動信號。由R2、C2組成的延遲電路可防止封鎖電路誤操作，該延遲電路也采用了抗干擾措施。

在整流級，集中式電流保護電路的任務是檢測輸入電流，而不必對每個橋臂上的IGBT進行分別檢測。圖3所示為整流級集中式過流保護電路原理圖。整流級檢測點可設置在三項輸入端。由于矩陣變換器的輸入信號為三相對稱正弦信號。這與逆變級檢測點的直流母線信號有所不同，故需要采用另一種保護電路。檢測元件可采用英國ISOTEK公司的精確電流感應電阻SMV。該感應電阻SMV的阻值可選擇1 mΩ，溫漂小于30 ppm／℃，功率小于3W，測量電壓范圍為交流1000 V，工作溫度范圍為-55～+140℃。正弦信號經(jīng)過精確電流感應電阻檢測后，再經(jīng)過整流橋變化成直流信號，便可進行光耦放大并與設定的閾值電壓進行比較。在正常情況下，集中式過流保護電路的輸出信號OC為高電平，而一旦整流級發(fā)生短路，例如當三相輸入信號中任意兩相發(fā)生短路，則輸入端的電流值將會超過設定的閾值，此時比較器的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，再?jīng)過R2、C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖?。這個低電平信號將使封鎖電路有效，以封鎖整流級橋臂的所有IGBT驅(qū)動信號使其關(guān)斷。R2、C2組成的延遲電路可防止封鎖電路誤操作。
矩陣變換器整流級和逆變級的集中式過流保護電路的輸出信號OC在正常情況下為高電平，當發(fā)生短路時，0C由高電平變?yōu)榈碗娖讲鬏斀o控制器，從而關(guān)斷整流級或是逆變級的IGBT驅(qū)動信號。之后，在等一段時間后，系統(tǒng)復位并重新給IGBT驅(qū)動信號。

3 實驗結(jié)果分析
圖4所示是為檢測集中式過流保護所設計的實驗電路。