基于矩陣變換器IGBT的集中式過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

圖1所示是矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是一個(gè)18開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它需要18個(gè)IGBT和18個(gè)二極管。在整流級(jí)的三個(gè)橋臂上，每個(gè)橋臂都由2個(gè)雙向開(kāi)關(guān)、4個(gè)IGBT和4個(gè)二極管構(gòu)成。因此，集中式過(guò)流檢測(cè)就只能在整流級(jí)的輸入進(jìn)行，那里為交流信號(hào)，可以通過(guò)以下電路進(jìn)行檢測(cè)。然而，在逆變級(jí)，每個(gè)橋臂由2個(gè)IGBT和2個(gè)二極管構(gòu)成，其集中式過(guò)流保護(hù)監(jiān)測(cè)也設(shè)置在輸入環(huán)節(jié)，即在輸入直流母線上進(jìn)行檢測(cè)。

在逆變級(jí)中，集中式過(guò)流保護(hù)電路的任務(wù)是檢測(cè)輸入直流母線上的電流。而不必對(duì)每個(gè)IGBT分別進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)保護(hù)。當(dāng)該電流值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將封鎖整個(gè)逆變級(jí)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖2所示為集中式過(guò)流保護(hù)電路的原理圖。該電路將電流檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置在直流輸入側(cè)，檢測(cè)元件采用日本HINODE公司的直測(cè)式霍爾效應(yīng)電流傳感器HAP8―200／4，可檢測(cè)直流側(cè)電壓的瞬時(shí)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(yīng)時(shí)間在10μs以下。在正常情況下，集中式過(guò)電流保護(hù)電路的輸出(0C)為高電平。而一旦直流母線的電流超過(guò)設(shè)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(guò)R2、C2的延遲，0C將由高電平變?yōu)榈碗娖?。這個(gè)低電平信號(hào)將使封鎖電路有效，以封鎖整流級(jí)橋臂的所有IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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(jí)，集中式電流保護(hù)電路的任務(wù)是檢測(cè)輸入電流，而不必對(duì)每個(gè)橋臂上的IGBT進(jìn)行分別檢測(cè)。圖3所示為整流級(jí)集中式過(guò)流保護(hù)電路原理圖。整流級(jí)檢測(cè)點(diǎn)可設(shè)置在三項(xiàng)輸入端。由于矩陣變換器的輸入信號(hào)為三相對(duì)稱(chēng)正弦信號(hào)。這與逆變級(jí)檢測(cè)點(diǎn)的直流母線信號(hào)有所不同，故需要采用另一種保護(hù)電路。檢測(cè)元件可采用英國(guó)ISOTEK公司的精確電流感應(yīng)電阻SMV。該感應(yīng)電阻SMV的阻值可選擇1 mΩ，溫漂小于30 ppm／℃，功率小于3W，測(cè)量電壓范圍為交流1000 V，工作溫度范圍為-55～+140℃。正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)精確電流感應(yīng)電阻檢測(cè)后，再經(jīng)過(guò)整流橋變化成直流信號(hào)，便可進(jìn)行光耦放大并與設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較。在正常情況下，集中式過(guò)流保護(hù)電路的輸出信號(hào)OC為高電平，而一旦整流級(jí)發(fā)生短路，例如當(dāng)三相輸入信號(hào)中任意兩相發(fā)生短路，則輸入端的電流值將會(huì)超過(guò)設(shè)定的閾值，此時(shí)比較器的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖剑俳?jīng)過(guò)R2、C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖健＿@個(gè)低電平信號(hào)將使封鎖電路有效，以封鎖整流級(jí)橋臂的所有IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jí)和逆變級(jí)的集中式過(guò)流保護(hù)電路的輸出信號(hào)OC在正常情況下為高電平，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，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(jí)或是逆變級(jí)的IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。之后，在等一段時(shí)間后，系統(tǒng)復(fù)位并重新給IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
圖4所示是為檢測(cè)集中式過(guò)流保護(hù)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路。