基于矩陣變換器IGBT的集中式過(guò)流保護電路設計

圖1所示是矩陣變換器的拓撲結構，這是一個(gè)18開(kāi)關(guān)的拓撲結構，它需要18個(gè)IGBT和18個(gè)二極管。在整流級的三個(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)二極管構成。因此，集中式過(guò)流檢測就只能在整流級的輸入進(jìn)行，那里為交流信號，可以通過(guò)以下電路進(jìn)行檢測。然而，在逆變級，每個(gè)橋臂由2個(gè)IGBT和2個(gè)二極管構成，其集中式過(guò)流保護監測也設置在輸入環(huán)節，即在輸入直流母線(xiàn)上進(jìn)行檢測。

在逆變級中，集中式過(guò)流保護電路的任務(wù)是檢測輸入直流母線(xiàn)上的電流。而不必對每個(gè)IGBT分別進(jìn)行過(guò)流檢測保護。當該電流值超過(guò)設定的閾值時(shí)，系統將封鎖整個(gè)逆變級IGBT的驅動(dòng)信號。圖2所示為集中式過(guò)流保護電路的原理圖。該電路將電流檢測點(diǎn)設置在直流輸入側，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響應時(shí)間在10μs以下。在正常情況下，集中式過(guò)電流保護電路的輸出(0C)為高電平。而一旦直流母線(xiàn)的電流超過(guò)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(guò)R2、C2的延遲，0C將由高電平變?yōu)榈碗娖?。這個(gè)低電平信號將使封鎖電路有效，以封鎖整流級橋臂的所有IGBT驅動(dòng)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(wù)是檢測輸入電流，而不必對每個(gè)橋臂上的IGBT進(jìn)行分別檢測。圖3所示為整流級集中式過(guò)流保護電路原理圖。整流級檢測點(diǎn)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(chēng)正弦信號。這與逆變級檢測點(diǎn)的直流母線(xiàn)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(guò)精確電流感應電阻檢測后，再經(jīng)過(guò)整流橋變化成直流信號，便可進(jìn)行光耦放大并與設定的閾值電壓進(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(huì )超過(guò)設定的閾值，此時(shí)比較器的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，再?jīng)過(guò)R2、C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖?。這個(gè)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驅動(dòng)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(guò)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(shí)，0C由高電平變?yōu)榈碗娖讲鬏斀o控制器，從而關(guān)斷整流級或是逆變級的IGBT驅動(dòng)信號。之后，在等一段時(shí)間后，系統復位并重新給IGBT驅動(dòng)信號。

3 實(shí)驗結果分析
圖4所示是為檢測集中式過(guò)流保護所設計的實(shí)驗電路。