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专利名称：用于多电平转换器的开关装置故障检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于检测多电平转换器中的开关装置故障状况的方法。
背景技术：
多电平转换器(例如中性点箝位转换器)一般用于诸如变速驱动(VSD)系统之类的大功率工业应用或者诸如太阳能(或光伏)发电系统、风力涡轮发电机或海洋和流体动力发电系统之类的能量转换应用中。多电平转换器的一般功能是通过通常从电容器电压源所得到的若干电压电平来合成正弦电压。三电平转换器包括串联的两个电容器电压，其中中心抽头作为中性点。三电平转换器的各相臂(phase leg)具有串联的两对开关装置。开关装置在电流方面是双向的，常常实现为单向电子开关装置(例如IGBT、IGCT)和二极管 (续流二极管)的反并联。多电平转换器中的开关装置在短路状况期间或者在箝位电感负载的断开开关期间受到高电和热应力。例如，如果在开关装置中因电应力或过电流而存在大功率损耗，则开关装置过热，并且可能导致开关装置的热击穿。类似地，当切断电感负载或电感电流时，开关装置可观测到引起开关装置的电压击穿的过电压。一旦开关装置因过热或过电压而被击穿或破坏，在没有保护措施的情况下，连锁反应可能发生，从而引起整个多电平转换器桥的破坏。因此，检测多电平转换器中开关装置中的故障是重要的。用于检测IGBT转换器中的开关装置故障的测量的一个示例是去饱和电路(desaturation circuit)。但是，使用去饱和电路的方法仅当对应开关装置接通时才检测故障状况，而当对于开关装置的栅极驱动信号断开时没有提供任何信号。因此，去饱和电路没有检测所有可能的短路故障状况。因此，希望提供解决上述问题的方法和系统。

发明内容
按照本发明的一个实施例，提供一种多电平转换器，其中带有各具有至少两个内开关装置、至少两个外开关装置、至少两个箝位二极管和分离的DC链路(split DC link) 的多个相臂。多电平转换器也包括开关装置故障检测电路，其中包括用于每个开关装置的逻辑�？椋�以便通过比较开关装置电压和阈值参考电压来生成闭塞状态逻辑信号。开关装置故障检测电路还包括电压计算�？椋�以便基于开关装置的栅极驱动信号和输出电流方向来确定每个开关装置的预计电压闭塞状态。开关装置故障检测电路还包括故障检测算法 (故障检测算法�？椋�故障检测算法单元)，以便基于闭塞状态逻辑信号和开关装置的预计电压闭塞状态来检测任一个开关装置中的故障状况。按照本发明的另一个实施例，提供一种多电平转换器，其中带有各具有至少两个内开关装置、至少两个外开关装置、至少两个箝位二极管和分离的DC链路的多个相臂。多电平转换器也包括开关装置故障检测电路，其中具有电压计算�？椋�用以基于开关装置的栅极驱动信号和输出电流方向来确定相臂的相端子处的预计输出电压；以及故障检测算法，用以通过将预计输出电压与实际输出电压进行比较来检测任一个开关装置中的故障状
4况。按照本发明的一个实施例，提供一种确定多电平转换器的开关装置中故障状况的方法，其中多电平转换器包括分离的DC链路以及各具有至少两个内开关装置、至少两个外开关装置、至少两个箝位二极管的多个相臂。该方法包括基于开关装置的栅极驱动信号和输出电流方向来确定每个开关装置的预计电压闭塞状态，并且通过比较开关装置上的端子电压和阈值参考电压来生成闭塞状态逻辑信号。该方法也包括基于闭塞状态逻辑信号和开关装置的电压闭塞状态来检测开关装置中的故障状况。按照本发明的又一个实施例，提供一种用于多电平转换器的开关装置故障检测电路，其中多电平转换器包括分离的DC链路以及各具有至少两个内开关装置、至少两个外开关装置和至少两个箝位二极管的多个相臂。开关装置故障检测电路包括用于每个开关装置的逻辑�？椋�以便通过比较开关装置电压和阈值参考电压来生成闭塞状态逻辑信号。开关装置故障检测电路还包括电压计算�？椋�用以基于开关装置的栅极驱动信号和输出电流方向来确定每个开关装置的预计电压闭塞状态。开关装置故障检测电路还包括故障检测算法，用以基于闭塞状态逻辑信号和开关装置的预计电压闭塞状态来检测任一个开关装置中的故障状况。


通过参照附图阅读以下详细描述，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似符号在附图中通篇表示相似部件，附图包括图1是常规中性点箝位多电平转换器的一个臂的电路图及其输出波形；图2是三相三电平NPC转换器的臂中故障状况的表示；图3是按照本发明的一个实施例的开关装置故障检测电路；图4是按照本发明的一个实施例的电压计算�？榈耐冀獗硎荆煌�5是按照本发明的一个实施例的故障检测算法；图6是按照本发明的一个实施例的另一个故障检测算法；以及图7是按照本发明的一个实施例的另一个开关装置故障检测电路。元件列表10常规中性点箝位(NPC)三电平转换器的一个臂的示意图12常规NPC三电平转换器的输出波形14 NPC三电平转换器的一个臂16，18，20，22 开关装置24,26 二极管28 DC链路的中心点30 DC 链路40具有故障的三电平转换器的一个臂的示意图42，48外开关装置44，46内开关装置49臂的中心点50，52箝位二极管
51 DC链路的中心点53 DC 链路56 DC链路的顶部电容器58 DC链路的底部电容器60故障状况70开关装置故障检测电路72，74，76，78逻辑模块或比较器80电压计算�？�82故障检测算法81用于确定多电平转换器端子处的预计输出电压的预计电压计算模块83-100预计电压计算步骤110故障检测算法112-130故障检测算法步骤150另一个故障检测算法152-166故障检测算法步骤180另一个开关装置故障检测电路182故障检测算法
具体实施例方式正如下文中详细论述的一样，本发明的实施例使多电平转换器能够以开关装置故障检测方案将直流(DC)电力转换为交流(AC)电力。例如，在三电平中性点箝位(NPC)转换器中，当开关装置(图1的16、18、20或22)或者箝位二极管(图1的M或沈)出故障短接时，存在关键故障模式。在这种状况下，DC链路的一半、即图1中的Vl或V2被充电到机器的峰值线间电压或者网侧电压。这个值通常高于开关装置和电容器的最大容许闭塞电压。在这种情况下，其它开关装置或箝位二极管在电压和电流方面可能受到超出其能力的压力(be stressed)。因此，这将使附加开关装置、特别是连接到相同DC母线的相臂中的开关装置在最初开关装置的故障之后出故障。本发明的开关装置故障检测方案提供适当逻辑电路来检测开关装置中的故障，并且因此防止可用于诸如太阳能(或光伏)发电系统、风力涡轮发电机或海洋和流体动力发电系统之类的应用中的多电平转换器的二次损坏。图1示出常规中性点箝位(NPC)或二极管箝位三电平转换器的一个臂或一相的示意图10及其输出波形12。三电平转换器的一个臂14包括四个开关装置16、18、20和22以及两个箝位二极管M和26。输入电压Vl和V2被控制成各具有等于Vdc/2的电压，其中 Vdc是总DC链路电压。电压V3是相对DC链路30的中心点28所测量的相位A输出电压。 开关装置16是对开关装置20的补充，使得当开关装置16导通(gated on)时，开关装置20 关断，反过来也是一样。类似地，开关装置18和22是互补的。在操作中，NPC三电平转换器的各臂具有三个开关级。在第一开关级，开关装置 16和18接通，而开关装置20和22断开。假定稳定操作，Vl = V2 = Vdc/2,并且V3变成Vdc/2。在第二开关级，开关装置18和20接通，而开关装置16和22断开。在这一级， V3等于0。在第三开关级，开关装置16和18断开，而开关装置20和22接通。这使V3变成-Vdc/2，如波形12所示。因此能够看到，相电压V3具有三个电平Vdc/2、-Vdc/2和0。 当组合NPC三相转换器的全部三个臂时，则所产生线间电压具有五个电平，即Vdc、Vdc/2、 0、-Vdc/2和-Vdc。图1的三电平转换器14可根据电路拓扑结构以及电路中的开关装置和二极管的数量增加到任何电平。随着转换器中的电平数量增加，转换器的输出波形接近纯正弦波，从而引起输出电压中的较低谐波。一般来说，开关级的数量能够高于三个，因为如果对应续流二极管将传导电流，则开关装置可以没有导通。这种操作模式不影响输出相电压的电平数量。图2示出多电平转换器的一个臂40中的故障状况60。如前面所述，转换器的各臂 40例如包括两个外开关装置和两个内开关装置，分别为42、48和44、46。此外，臂40包括两个箝位二极管50和52，并且其输出电压Vo在臂40的中心点49与DC链路53的中心点 51之间测量。臂40连接到具有顶部电容器56和底部电容器58的分离的DC链路53。图 2示出出故障短接(由参考标号60表示)的臂40的外开关装置42。此状况例如可作为诸如外开关装置42的热击穿、外开关装置42的电压击穿、因宇宙射线引起的故障以及因开关装置的不牢固制造引起的故障之类的发生事件的结果而发生。例如，当底部两个开关装置 46、48导通以便具有Vo = -Vdc/2时，出现在内开关装置44上的电压将为总DC链路电压、 即Vdc，这可能引起开关装置44的故障。图3示出按照本发明的一个实施例的开关装置故障检测电路70。该电路包括逻辑模块或比较器72、74、76和78，它们各对应于开关装置42、44、46和48 (图2)中的相应一个。开关装置故障检测电路70还包括电压计算�？�80和故障检测算法82。各比较器72、 74、76和78比较两个输入i)开关装置电压，即，开关装置上的电压Vsw;以及ii)阈值参考电压Vth ；并且提供称作闭塞状态逻辑信号Vc的输出电压。在一个实施例中，阈值参考电压Vth设置成略高于开关装置导电时其上的额定电压降。在另一个实施例中，这个信号通常已经是从(例如IGBT转换器中的)去饱和检测电路可得到的。在又一个实施例中，阈值参考电压Vth可设置成前一个实施例中的电压、即略高于开关装置上的额定电压降的电压与Vdc/2的下限之间的任意适当电平。在一个实施例中，如果Vsw大于Vth，则闭塞状态逻辑信号Vc为‘高’，否则为‘低’。应当注意，‘高’指的是比较器的正供给电压，而‘低’指的是比较器的负供给电压。因此，比较器72比较Vswl和Vth，并且输出Vcl，其中Vswl指的是开关装置42上的电压，比较器74比较开关装置44上的电压Vsw2和Vth，并且输出Vc2。 类似地，比较器76比较作为开关装置46上的电压的Vsw3和Vth，并且输出Vc3，以及比较器78比较开关装置48上的电压Vsw4和Vth，并且输出Vc4。在一个实施例中，比较器可以是开环运算放大器电路或者集成在芯片中的专用电压比较器。在另一个实施例中，提供阈值电压逻辑信号的、一般用于IGBT驱动器中的去饱和电路的一部分也可用作比较器。基于开关装置42、44、46和48的栅极信号和输出电流方向(即Io方向)，电压计算模块80确定在当前开关级中，各开关装置是否应该闭塞其端子上的电压。电压计算模块的输出是开关装置的预计电压闭塞状态Vsl、Vs2、Vs3和Vs4,它们被输入到开关装置故障检测算法82中。作为中间步骤在电压计算�？�80中计算正常状况期间在多电平转换器的臂的输出端点49和51处的预计电压Vexp。预计电压基于诸如开关装置42、44、46和48的栅极驱动信号G1、G2、G3和G4以及对应输出电流方向、即Io方向之类的输入来确定。预计输出电压Vexp具有三个电平，即正、负和零。基于这些电平、栅极驱动信号和输出电流方
7向，进行关于特定开关装置是否应当闭塞电压的确定，并且因而生成逻辑信号Vsl、Vs2、Vs3 和Vs4。如果逻辑信号的任一个为高，则它指示特定开关装置应当闭塞电压，否则不应当闭塞电压。开关装置故障检测算法82然后对于各开关装置将关于装置实际上是否闭塞的信息(即，Vcl、Vc2、Vc3和Vc4)与关于在当前开关级各装置是否应当闭塞的信息(即，Vsl、 Vs2、Vs3和Vs4)进行比较。如果任何开关装置的实际闭塞状态和预计闭塞状态不匹配(例如，如果Vcl兴Vsl)，则检测到故障。上述开关装置故障检测电路70可在模拟域或数字域或者它们的组合中实现。在数字电路用于处理的情况下，该电路一般将包括模数转换，但是模拟处理组件一般不要求这种转换，除非某种处理在数字域中进行。数字电路的示例包括诸如编程微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用数字信号处理器(DSP)之类的数字组件。应当注意，图3所示的组件所表示的处理的具体顺序可以改变，并且其它组件可在需要时包含在整体电路中。图4示出用于确定多电平转换器端子处的预计输出电压的预计电压计算�？�81 的一个示例实现。�？�81接收诸如分别用于开关装置42、44、46和48的栅极驱动信号Gl、 G2、G3和G4的输入以及还接收输出电流或Io方向。应当注意，栅极驱动信号电平确定任何开关装置是否接通。例如，如果G2或G3为高，则开关装置44或46分别接通。因此，对于下面所提供的所有情况，如果开关装置接通，则对应栅极驱动信号称作高。在第一步骤83， 确定内开关装置44或46的任一个是否接通以及外开关装置42和48是否均断开。在这种情况下，箝位二极管50或52的任一个导电，并且因而预计电压Vexp相当于零，如框84所示。这个状况在步骤83中由布尔方程(G2 + G3).(G1 + G4) = 1来表示。但是，如果不满足这个状况，则在步骤86，确定两个顶部开关装置42和44是否均接通，即，是否GJ.G2=!.。如果两个顶部开关装置均接通，则输出端子处的预计电压Vexp应当为正电压，即V+，由框88 表示。如果不满足在步骤86中检查的状况，则步骤90确定两个底部开关装置46和48是否均接通，即，是否G3. G4 = 1.。两个底部开关装置46和48均接通指示预计电压Vexp应当为负电压，即V-，由框92表示。如果不满足状况83、86或90的任一个，则输出电流(Io) 方向帮助确定预计电压Vexp。在步骤94，确定输出电流Io是否为负。如果输出电流Io为负，则在步骤96，确定所有开关装置42、44、46和48是否均断开。这个状况在步骤96中由 (G1 + G2 + G3 + G4) = 1来表示。如果所有开关装置均断开，并且输出电流Io为负，则指示顶部两个开关装置的续流二极管导电。因此，这个状况期间的预计电压Vexp将为正电压V+， 由框88表示。如果在步骤94确定输出电流Io不为负，则在步骤98，确定输出电流Io是否为正。如果输出电流Io为正，则在步骤100，再次确定所有开关装置是否均断开。如果所有开关装置均断开，并且电流方向为正，则指示底部两个开关装置的续流二极管导电，并且这个状况期间的预计电压将为负电压V-。图5示出按照本发明的一个实施例的故障检测算法110。算法110确定应当闭塞 DC电压的任何开关装置是否实际上没有闭塞DC电压。在算法110的步骤112，确定预计电压Vexp是否为正(V+)。如果Vexp不等于V+，S卩，如果Vexp等于负电压V-或零电压，则在步骤114，检查第一开关装置42的闭塞状态逻辑信号Vcl是低还是高。如果Vcl为低，则指示开关装置42在实际上应当闭塞电压时没有闭塞任何电压。然后提供故障指示或短路指示，如框116所示。在Vexp不等于V+时检查的另一个状况是Vexp是否为负电压，即V-。 如果在步骤118确定Vexp实际为V-，则在步骤120，检查开关装置44的闭塞状态逻辑信号
8Vc2是否为低。如果Vc2为低，则第二开关装置44被认为有故障，如框122所示。如果在步骤IM确定Vexp为正电压、即V+，则在步骤124，将开关装置46的闭塞状态逻辑信号Vc3 与低电压进行比较。如果发现Vc3为低，则表示开关装置46有故障，如框1 所示。此外， 如果Vexp从步骤118确定为零或者从步骤112确定为正，则在步骤128，检查开关装置48 的闭塞状态逻辑信号Vc4是否为低。如果Vc4为低，则它是开关装置48有故障的指示，如框130所示。因此，通过采用各种组合的这种方式，确定开关装置的故障状况。图6示出按照本发明的一个实施例的另一个故障检测算法150。算法150是对算法110的补充，S卩，它确定没有预计闭塞任何电压的任何开关装置实际上是否闭塞电压。在算法150的步骤152，确定预计电压Vexp是否为正(即，V+)。如果Vexp为正，则在步骤154 检查第一开关装置(图2的4 的闭塞状态逻辑信号Vcl是低还是高。如果Vcl为高，则指示开关装置42有故障，如框156所示。此外，如果确定Vexp不为正，S卩，它为负或零，则在步骤158检查开关装置46的闭塞状态逻辑信号Vc3为高还是低，以及如果确定Vc3为高， 则指示开关装置46有故障，如框160所示。从步骤162检查Vexp是否为负、即V-，以及如果是的话，则从步骤164确定开关装置48的闭塞状态逻辑信号Vc4是高还是低。如果Vc4 为高，则指示开关装置48有故障，如框166所示。此外，如果从步骤152确定Vexp为V+或者从步骤162确定Vexp为零，则在步骤168检查开关装置44的闭塞状态逻辑信号Vc2是否为高。如果结果是Vc2为高，则表示开关装置44有故障，如框170所示。应当注意，图4、 图5或图6所示的步骤并不受其次序限制。在一个实施例中，步骤的一部分能够并行执行， 或者在另一个实施例中，步骤的次序能够互换，只要它不影响最终结果即可。图7是按照本发明的一个实施例的另一个开关装置故障检测电路180。开关装置故障检测电路180利用图4所示的电压计算�？�80。电路180还利用故障检测算法182来检测开关装置中的故障。算法182将预计电压Vexp与从多电平转换器臂输出端子测量的实际电压进行比较。如果存在不匹配，则指示开关装置的故障。例如，如果Vexp为正电压而实际电压为零，则指示开关装置46短路。因此，故障检测算法182检测各种开关装置中的故障。虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求书预计涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。
权利要求
1.一种多电平转换器，包括多个相臂(40)，各具有至少两个内开关装置(44，46)、至少两个外开关装置(42，48)、 至少两个箝位二极管(50，52)和分离的DC链路(53)；以及开关装置故障检测电路(70)，包括每个所述开关装置的逻辑�？�(72，74，76，78)，用以通过比较开关装置电压(Vswl， Vsw2,Vsw3,Vsw4)和阈值参考电压(Vth)来生成闭塞状态逻辑信号(Vcl，Vc2，Vc 3，Vc4)；电压计算�？�(80)，用以基于所述开关装置的所述栅极驱动信号(G1，G2，G3，G4)和输出电流(Io)方向来确定每个所述开关装置的预计电压闭塞状态(Vsl，Vs2，Vs3，Vs4)；故障检测算法(82)，用以基于所述闭塞状态逻辑信号和所述开关装置的所述预计电压闭塞状态来检测任一个所述开关装置中的故障状况。
2.如权利要求1所述的多电平转换器，其中，电压计算�？槿范ㄋ�述多电平转换器输出端子处的预计输出电压，并且其中所述内开关装置其中之一包括顶部内开关装置，所述内开关装置的另一个包括底部内开关装置，所述外开关装置其中之一包括顶部外开关装置，以及所述外开关装置的另一个包括底部外开关装置。
3.如权利要求2所述的多电平转换器，其中，当任一个所述内开关装置的栅极驱动信号为高以及两个所述外开关装置的所述栅极驱动信号均为低时，所述预计电压为零电压。
4.如权利要求5所述的多电平转换器，其中，当所述顶部内开关装置和顶部外开关装置的所述栅极驱动信号均为高时或者当所述输出电流方向为负并且所有所述开关装置的所述栅极驱动信号均为低时，所述预计输出电压为正电压。
5.如权利要求2所述的多电平转换器，其中，当所述底部内开关装置和底部外开关装置的所述栅极驱动信号均为高时或者当所述输出电流方向为正并且所有所述开关装置的所述栅极驱动信号均为低时，所述预计输出电压为负电压。
6.如权利要求2所述的多电平转换器，其中，当所述预计输出电压不为正并且所述顶部外开关装置的所述闭塞状态逻辑信号为低时，所述故障检测算法检测所述顶部外开关装置中的所述故障状况。
7.如权利要求2所述的多电平转换器，其中，当所述预计输出电压为负并且所述顶部内开关装置的所述闭塞状态逻辑信号为低时，所述故障检测算法检测所述顶部内开关装置中的所述故障状况。
8.如权利要求2所述的多电平转换器，其中，当所述预计输出电压为正并且所述底部内开关装置的所述闭塞状态逻辑信号为低时，所述故障检测算法检测所述底部内开关装置中的所述故障状况。
9.如权利要求2所述的多电平转换器，其中，当所述预计输出电压不为负并且所述底部外开关装置的所述闭塞状态逻辑信号为低时，所述故障检测算法检测所述底部外开关装置中的所述故障状况。
10.一种多电平转换器，包括多个相臂(40)，各具有至少两个内开关装置(44，46)、至少两个外开关装置(42，48)、 至少两个箝位二极管(50，52)和分离的DC链路(53)；以及开关装置故障检测电路(180)，包括电压计算�？�(80)，用以基于开关装置的栅极驱动信号(Gl，G2，G3，G4)和输出电流(Io)方向来确定相臂的相端子处的预计输出电压(Vexp)；故障检测算法(18 ，用以通过将所述预计输出电压与实际输出电压进行比较，来检测任一个所述开关装置中的故障状况。
全文摘要
本发明用于多电平转换器的开关装置故障检测系统和方法，多电平转换器包括各具有至少两个内开关装置、至少两个外开关装置、至少两个箝位二极管、分离的DC链路的多个相臂以及开关装置故障检测电路。开关装置故障检测电路包括用于每个开关装置的逻辑�？�、电压计算�？楹凸收霞觳馑惴āＢ呒��？橥ü�比较开关装置电压和阈值参考电压来生成闭塞状态逻辑信号，并且电压计算�？榛�于开关装置的栅极驱动信号和输出电流方向来确定每个开关装置的预计电压闭塞状态。故障检测算法基于开关装置的预计电压闭塞状态和闭塞状态逻辑信号来检测任一个开关装置的故障状况。
文档编号G01R31/02GK102353896SQ20111016137
公开日2012年2月15日 申请日期2011年5月27日 优先权日2010年5月28日
发明者P·索尔迪, R·勒斯纳, S·施勒德 申请人:通用电气公司