基于矩阵变换器IGBT的集中式过流保护电路设计

图1所示是矩阵变换器的拓扑结构，这是一个18开关的拓扑结构，它需要18个IGBT和18个二极管。在整流级的三个桥臂上，每个桥臂都由2个双向开关、4个IGBT和4个二极管构成。因此，集中式过流检测就只能在整流级的输入进行，那里为交流信号，可以通过以下电路进行检测。然而，在逆变级，每个桥臂由2个IGBT和2个二极管构成，其集中式过流保护监测也设置在输入环节，即在输入直流母线上进行检测。

在逆变级中，集中式过流保护电路的任务是检测输入直流母线上的电流。而不必对每个IGBT分别进行过流检测保护。当该电流值超过设定的阈值时，系统将封锁整个逆变级IGBT的驱动信号。图2所示为集中式过流保护电路的原理图。该电路将电流检测点设置在直流输入侧，检测元件采用日本HINODE公司的直测式霍尔效应电流传感器HAP8―200／4，可检测直流侧电压的瞬时值。HAP8―200／4需要±15V的供电电源，额定电流为+_200 A，饱和电流在450 A以上，额定输出电压为±4 V，di／dt响应时间在10μs以下。在正常情况下，集中式过电流保护电路的输出(0C)为高电平。而一旦直流母线的电流超过设定的阈值，比较器的输出状态将由高电平变为低电平，然后经过R2、C2的延迟，0C将由高电平变为低电平。这个低电平信号将使封锁电路有效，以封锁整流级桥臂的所有IGBT驱动信号。由R2、C2组成的延迟电路可防止封锁电路误操作，该延迟电路也采用了抗干扰措施。

在整流级，集中式电流保护电路的任务是检测输入电流，而不必对每个桥臂上的IGBT进行分别检测。图3所示为整流级集中式过流保护电路原理图。整流级检测点可设置在三项输入端。由于矩阵变换器的输入信号为三相对称正弦信号。这与逆变级检测点的直流母线信号有所不同，故需要采用另一种保护电路。检测元件可采用英国ISOTEK公司的精确电流感应电阻SMV。该感应电阻SMV的阻值可选择1 mΩ，温漂小于30 ppm／℃，功率小于3W，测量电压范围为交流1000 V，工作温度范围为-55～+140℃。正弦信号经过精确电流感应电阻检测后，再经过整流桥变化成直流信号，便可进行光耦放大并与设定的阈值电压进行比较。在正常情况下，集中式过流保护电路的输出信号OC为高电平，而一旦整流级发生短路，例如当三相输入信号中任意两相发生短路，则输入端的电流值将会超过设定的阈值，此时比较器的输出状态将由高电平变为低电平，再经过R2、C2的延迟，OC将由高电平变为低电平。这个低电平信号将使封锁电路有效，以封锁整流级桥臂的所有IGBT驱动信号使其关断。R2、C2组成的延迟电路可防止封锁电路误操作。
矩阵变换器整流级和逆变级的集中式过流保护电路的输出信号OC在正常情况下为高电平，当发生短路时，0C由高电平变为低电平并传输给控制器，从而关断整流级或是逆变级的IGBT驱动信号。之后，在等一段时间后，系统复位并重新给IGBT驱动信号。

3 实验结果分析
图4所示是为检测集中式过流保护所设计的实验电路。