保护方案为各种故障条件的三个水平直流直流转换器

Jasirah.K.B¹,Atrhira.P.C²

P。G学生,EEE,尼赫鲁大学的工程和研究中心,喀拉拉邦,印度
副教授,EEE,尼赫鲁大学的工程和研究中心,喀拉拉邦,印度

文摘

故障检测和保护任何电源转换器是一个重要的设计方面,特别是在大功率高压应用,失败可以高成本。三级电源转换器及其各种衍生品高压大功率的变换器的拓扑结构都具有吸引力的应用程序。保护方法不仅可以防止系统故障与不平衡电压开关应力,但也提供了一个解决系统故障发生并保存剩余组件。三级转换器受电压不平衡在某些异常情况下,这会导致开关过电压和系统故障。不平衡的电压应力的原因是全面调查和分类。每个变态的解决方案。除了联合国电压平衡,threelevel转换器可以防止多个故障提出保护方法通过监测飞行电容器电压。保护电路简单,容易实现,同时它可以有效地保护threelevel转换器及其衍生物,实验已经验证了三级并联谐振变换器。

关键字

飞行电容器,保护,三级直流-直流变换器、电压不平衡。

介绍

电力转换器可靠性始终是一个问题。即使在精心设计的电路故障可能发生。故障检测和保护是一个重要的电力转换器的设计方面,特别是在大功率高压应用,失败可以高成本和失败的后果会很严重。高压大功率直流-直流转换器应用,三级直流-直流变换器拓扑结构的选择及其各种衍生品有吸引力。三级直流-直流转换器的主要优势是,主开关只承受一半的输入直流母线电压,所以低电压等级设备可以使用更好的性能。另一方面,三级转换器需要平衡的直流电压Vcin1 Vcin2和两个钳位二极管,以确保正确操作和相等电压共享,飞扬的电容器是最初由旧金山引入相移操作. .飞行电容器可以解耦的转换过渡外两个开关(S1and S4)和内在两个开关(S2和S3)。之一外开关关闭时,其并联电容器充电,同时其他外部开关并联电容器的放电通过飞电容,这样可以实现零电压开关(ZVS)。两个并联电容器内部两个开关不参与这个开关转换,反之亦然。此外,与相移脉宽调制(PWM)控制、飞行电容器基本上是与输入并联电容转换器或者在随心所欲的阶段。因此,飞行电容器可以减轻输入电容电压不平衡的相移PWM操作。此外,飞行电容器也作为缓冲器电容器两个内部开关。在正常操作条件下,vcs应该有一个额定电压等于Vin / 2。 An abnormal Vcss may indicate an abnormal circuit condition or fault, which can be used as the basis for fault detections.

首先,与传统的操作方案,深入分析了引起异常电压应力的原因和分类,根据不同的原因以及解决方案。从本质上说,这些问题可以固定或避免在正常转换器设计和操作,停止的保护电路。的可能的错误三级并联谐振变换器(PRC)的帮助下进行了系统分析和总结第三章模拟。在第四部分中,保护电路与快速响应时间,随着飞行电容器设计和电路设计标准。最后,SectionV提供实验结果验证分析和保护功能。

工作原理和解决不平衡的电压应力

三级并联谐振变换器的典型波形相移(PS)和PWM操作模式。由于两种操作模式必须保证外部开关(S1或S4)应不晚于内部开关关闭(S2和S3)在同一腿ZVS成就。电压不平衡问题在交换机在同一回合在两个特定条件下,张开在轻负荷电压环控制和。然而,vcs也可以改变其他各种条件下,如zero-current-switching(佐)/ non-zerovoltage切换(ZVS)操作,高电压纹波输入电容不平衡转换时机,等。从本质上说,这些可以固定在问题停止时保护和定位。介绍了解决的问题。全面分析异常条件设计师必须了解转炉操作,知道保护的限制,这样可以容忍正常运行而不失去敏感度。这些异常的条件可以分为三个主要类别,下面的枚举。

a .异常输入电容器电压由于两个输入电压的电压输入电容器(Cin1和Cin2)需要将输入电压相等地,和中性点,输入电压的一半(Vin / 2)。所以中性点电压和vcs根本上坚定地输入电压。如果输入电压变化超出了允许范围内,显然,/ /输入电压下可以由监控vcs停摆。

B。不正常的输入电容电压不平衡造成的

另一个主要异常输入电容电压不平衡电压的性能。当电压Cin1高于Vin / 2,飞行电容钳位二极管Dc2将被通过。如果Cin2电压高于Vin / 2,飞行电容器将通过钳位二极管Dc1带电。更明确,飞行电容器将平行输入电容器高压压力。应该注意的是,这也是为什么飞电容有助于缓解输入电容电压不平衡的暧昧不明物质输入电容器具有更高的电压,或者,换句话说,无论中性点或低电压高于Vin / 2,飞行电容器电压将被输入峰值电压的电容器具有更高的电压。所以不平等的功放的输入电容,不平衡的责任周期或不匹配的开关时间,等等,都属于这种情况下,导致不平衡输入电容电压,然后飞电容电压异常。当这些问题造成的问题是,它可以很容易地解决电路。通常这些微小unbalancedcapacitances没有严重的后果和责任周期可以被容忍。此外,不平衡的占空比可以缓解飞行在移相电容器操作。控制电路不对称平衡责任周期的飞行电容器通过监测电压转换器nonphaseleg结构,如巴克、提升,还可以调整阶段腿的电路结构不平衡的工作周期是一个问题。此外,即使整个输入电容电压平衡,vcs仍然可以受到输入电容上的电压纹波的影响。 converter, loss will be high due to the input diode bridge.

C。失去放电路径EvenWith正常输入电容电压

即使中性点电压是正常的,不平衡的电压应力仍然可能发生在一些条件。在正常操作中,飞行电容器可以通过上面的钳位二极管充电(Dc1)或S1。或者它可以通过底部带电钳位二极管(Dc2)和S4由于对称结构。唯一可能对飞行电容器放电路径是通过S2和S3。如果飞行电容器可以通过S2和S3指控,而不是卸货在某些情况下,飞行电容器电压肯定会增加,因为它没有减少。与传统的ZVS控制(S1 beforeS2是关闭的,S3和S4是关闭的),相移的减刑为飞行提供了放电回路电容器ZVS操作时需要。然而,当转换器失去ZVS,如在轻负荷;或切换时间是错误的,例如当S2前关闭或S1之前关掉S4飞行电容器充电,而不是放电。近似的人来说可能会增加输入电压由于没有放电回路。当前在电感器已经改变了它的方向S1是关闭的。上面的飞行电容器通过身体与输入电压的二极管S1。 And the bottom side of the flying capacitor is connected with the ground when S4 is turned ON after S1 is OFF. In this case, the flying capacitor will be charged to full input voltage instead of discharging. Due to the symmetrical structure, this case can happen when S1 is turned ON after S3 is OFF. At light load, if the converter loses the ZVS operation for the lagging switch, or even worse, loses ZVS for both leading switch and lagging switch, the mechanisms the same as the ZCS condition. In order to solve this issue ,ZVS has to be guaranteed in the three-level converter design for all of its operation conditions, from heavy load to light load.WhenS2 is turned OFF before S1, the upper side of the flying capacitor is connected to the input voltage through S1 and the lower side of the flying capacitor is connected to the ground through the body diode of S4. Thus, the flying capacitor suffers the full input voltage. In order to solve this problem, the switch sequence has to be assured. Minimal phase-shift is desired to reduce the duty cycle loss when the regulation is through varying frequency instead of the duty cycle. If the abnormally high Vcssis owing to slightly too small phase shift, enlarging the phase shift or paralleling external capacitors in the inner switches is an effective way to solve this problem. However, it should be noted that the increased capacitance on the inner switch will worsen its ZVS condition.

多个三级变换器的缺点

飞电容电压vcs的行为在各种故障情况下的三级并联谐振变换器,最常见的故障与活动相关设备和负载,包括开放——或者短路的主要开关S1和S2,钳位二极管Dc1,反并联二极管D1和D2,整流二极管根据Dr1和负载。反并联二极管D1和D2短路将与相应的主开关短路,开路的这些反并联二极管需要包括在内。当主开关MOSFET,它的身体二极管通常被用作反并联二极管代替外部二极管。应该注意的是,主开关不能正常工作,如果身体二极管失败。由于对称的结构,结果将是相同的对手出现故障。在某种程度上,这些异常的故障状态是最坏的情况下的条件。例如,当S2不能开路,这就像避免S2的规则应该关闭不早于S1。

答:外开关开路

如果外部开关(例如,S1)开路,循环为电感负载电流仍然是完整的,这样当switchthe底部输入电容器中的能量,Cin2,不断转移到负载在S3和S4。然而,当S3和S4和S2打开,上面的输入电容(Cin1)将被孤立,因为上钳位二极管(Dc1)将提供一个短路回路的电感电流。但是底部输入电容器中的能量,Cin2,一样会逐渐放电为0,vcs。变压器很快就会饱和,由于负偏置直流电压应力。

外部开关短路

如果S1有短路,会飞的电容器将直接与输入电源当S3和S4。一样,vcs等于输入电压,S2。但neutralpoint电压不会受到这个错误。

c .内部开关开路

如果S2开路故障,vcs也增加很快全输入电压。的机制是一样的外开关短路情况下,即,违反了规则,S1 S2关闭之前关掉。当S2不能开路,t意味着S2总是关闭前S1。

D。外部开关短路

如果S1有短路,会飞的电容器将直接与输入电源当S3和S4。一样,vcs等于输入电压,S2。但中性点电压将S2是否有短路,S3和S4打开时,飞行电容器将通过S2,卖空和S3和底部输入电容器Cin2将通过上钳位二极管,卖空S2、S3和S4。同时,S1承受全输入电压时开放。S3和S4turn时,故障不影响转炉操作像往常一样和飞行电容器Cin2将被回输入电压的一半。因此,vcs和中性点电压脉冲从零到一半的输入电压与频率相同的开关频率。变压器将饱和很快由于积极的偏置电压应力。

大肠外开关二极管开路

如果开关S1的身体二极管D1失败由于开路,这个故障对转换器的操作没有任何影响。当S4关闭和S3仍在进行,电感电流将通过钳位二极管回到谐振槽底部而不是D1 S4的开关电容器充电后输入电压的一半和S1的开关放电为0。即使它是好的,D1永远不会进行或参与任何减刑。系统不会受此影响的错。当然,这种故障是无法觉察的人来说。

f .内部开关二极管开路

如果开关S2的身体二极管D2失败由于开路,变换器可以工作当S1和S2。S4后theS3关闭关闭时,电感电流开始收取S3开关电容器和电容器放电S2的开关。但是电感电流没有办法去theS3开关电容器充电后输入电压andS2一半的开关电容放电为0的开路D2。因此,S3将遭受高电压激增这故障情况。但是,vcs保持正常价值。这个错误不能被检测到,除非噪声引起的高电压尖峰触发保护。有可能在实际应用中由于高异常噪音当ZVS丢失。

g .钳位二极管开路

如果钳位二极管Dc1失败由于开路,转换器通常如果转换器是理想的工作。但是转换器的优点将几乎失去threelevel结构没有钳位二极管。只要开关电压应力不平衡,此错误将检测到的人来说。

h .钳位二极管短路

如果钳位二极管Dc1失败由于短路,将中性点电压与输入电压的正极和带电全输入电压时S1,飞行的电容器。在这种情况下,S1遭受巨大的电流时,或然后S2时遭受过电压。

即整流二极管开路

如果整流二极管根据Dr1失败由于开路,没有更多的能量会转移到负载谐振电容电压时是积极的。但转换器将能量转移到负载谐振电容器时是负的。这种不平衡的能量转移将导致积极的变压器直流偏置电压应力。中性点电压将减少到0时,vcs增加到完整的输入电压。应该注意的是,中性点电压将会增加如果相反的整流二极管桥是开路时,vcs仍然增加。任何一个可能会失败在中性点电压和vcs输入电压。与此同时,变压器遭受负面的直流偏置电压。

j .整流二极管短路

如果整流二极管根据Dr1失败由于短路,谐振电容器将做空时谐振电容电压的极性是负的。更多的能量时可以转移到变压器二次侧S3和S4。它遵循的中性点电压降低和飞行电容器电压增加。一样根据Dr1开路故障情况下,中性点电压将会增加如果相反的整流二极管桥是做空时,vcs仍然增加。

k .负载开路

如果负载开路,输出电压将显著增加,由于中国固有的提升属性。但转换器就可以正常运行,除了高电流,当开关频率高于共振频率。否则,转换器将失去ZVS操作和故障会增加检测到的人来说。

l .负载短路

如果负载发生短路,变换器仍保持ZVS方式由于中国房地产。理论上它不能检测到vcs。但断开电流取决于开关频率会增加由于三角形电流波形。高电压应归因于断开电流实际上仍然可能触发保护与vcs检测。vcs负载开路的反应在其他三级拓扑和负载短路可能不同,因为中国主导的固有特性在这些缺点。所有可能的突发事件,防止shootthrough是最棘手的一个,非常依赖于寄生电感。在理想的情况下,输入电容和飞行电容器的电压等于输入电压的一半,没有任何寄生电感通过故障甚至在拍摄。然而,由于电源的输入线电感(林)图14所示通常是非常大的,或者至少相对大于输入后的寄生电感电容以及相对较大的输入电容,vcs将作为shootthrough发生大幅下跌。

提出了保护电路的设计

对于三级结构,需要平衡电阻电容的电压平衡平衡电阻的连接。R1等于R2和R3等于R6。为了输入电压的一半,R4和R5的总和等于R3和R6的总和。保护电路,R4 andR5,适当的电阻,可以用作分压器,vcs的传感器。对于输入电压600 v, 100 w kΩresistors 1%公差选择R1、R2、R3和R6 .R4 198 kΩand R5 2 kΩas第一千一百个分压器。感觉到电压检测器处理是一个窗口,其中有一个孤立的辅助电源。窗外探测器输出转移到系统控制器通过一个高速光耦合器。

答:飞行电容器设计

虽然飞行电容器设计不是直接相关的保护电路设计,提出了保护方法必须基于飞行电容器。在传统三电平变换器相移控制、解耦的飞行电容器切换的功能转换的S1和S4, S2和S3,平衡两者之间的不平衡电压的输入电容,充当缓冲器电容器内部交换机,S2 andS3。解耦的效果取决于电容的比值

甚短波在哪里留下的最低电压时其周围的任何一个开关闸门信号切换过渡期间越来越高。实现ZVS甚短波接近0时。Css是飞行电容器的电容。世界基督教联合会是开关电容器的电容的总和,任何外部的电容器。为了更好的解耦和电压钳位效应,飞行电容器的电容应不少于数量计算。即使移相控制方案不工作和飞行电容器并不是必须的,飞行电容器仍然可以添加的缓冲器电容器和工作提出了保护电路。

b设计标准

输入电压的vcs是由稳态操作。随着变频器运行时,vcs主要是受输入电容的电压纹波的影响。由于钳位二极管,飞行可以带电电容器的最大电压输入电容,而正常的最低vcs等于低压线路输入电压的一半。

的责任比例

仿真结果

变压器绕组过电压击穿导致二次绕组短路。突然谐振电容器放电为0,这类似于短路的情况下的整流二极管之一。内部开关的电压应力,S3,立即增加,高于外switchingS4的电压应力。飞行电容器电压也异常增加。因此,提出保护触发并成功地保护了转换器系统故障。变压器被分解、谐振电容电压放电为0。因此,谐振电感电流波形在成为三角波形会发生故障。为了验证分析和保护的可行性建议,缩小实验操作与1/10ththe输入电压和相同的原型。

五个分别选定的缺点:S1short电路、S1开路,S2短路,S2开路,射穿。一个计时器所产生的故障条件和故障信号。转换器进入稳态计时器结束前。结束时,计时器,故障信号,低电平脉冲,被添加到一个逻辑与门的门信号来模拟一个开路故障。如果故障信号是一个高标准的脉冲,可以模拟短路故障时被添加到一个门的信号通过一个逻辑或门。如果faultsignal添加到所有的门信号,shootthrough将会发生。保护电路被触发时,关闭信号关闭(V)将生成,清除故障信号和关闭系统。

S1失败短路,内部的电压开关S2立即增加完整的输入电压,以及飞行电容器电压。前两个周期对应于正常操作。保护电路触发在不到1μs,由shutdownsignal表示。S1失败开路,飞行电容器电压逐渐降低,引发了保护电路。故障发生前的波形被抓获。相比30 v的vcs和漏源电压的S2 (Vds2)在正常运行,vcs和Vds2约20 v,这触发了低级的极限保护。切口漏源电压的S1 (Vds1)波形是由于S1的身体二极管传导。夹紧diodeDc1 S2 turnsON时必须承受高传导电流。S2短路情况。故障信号是在中间的S2时底部两个开关(S3和S4)。Vds1迅速增加到完整的输入电压而vcs排放为零并触发保护。 The S2 open-circuit case. The fault signal comes before S2 and S1 are turned OFF. The Vcss starts to increase after the S2 fails to open circuit. Fortunately, soon it is time for the upper leg to turn OFF. Vcss keeps flat when S1 turns OFF the initial period when S1 turns ON again. When the inductor current changes the direction, the Vcss continues to increase, and then triggers the protection circuit.

结论

该保护方案基于飞行电容电压不平衡电压应力检测,原因是分类。介绍了解决每一个不平衡的电压应力。深入分析了可能的错误,提出保护方法能有效避免设备故障引起的电压不平衡压力开关的三级结构,并将保护系统即使发生故障。可以采取补救措施以防止随之而来的损失的缺点当新的保护方法。提出了一种检测电路,其设计是解决以及飞行电容器的选择。理论分析和仿真结果验证了实验结果。三级的保护计划非常有效且可靠的转换器

确认

Alhamdulillah,最高的感谢上帝的祝福,他给了我。我要感谢我对她的指导Athira女士的个人在本文建议和支持。同时我想表达我的感激之情Maheswaran.K先生。分享他的贵重物品的思想以及他的知识。我也希望确认给予支持的人直接或间接项目和论文写作中。再一次,非常感谢。

引用

j . r . Pinherio和芭比,“三级ZVS PWM converter-A高压dc-to-dc转换的新概念,“在Proc, IEEE IECONConf。,1992年11月,页173 - 178。
d .徐,阮x l .周b·李问:陈,“Zero-voltageswitchingPWM三级转换器有两个钳位二极管,“IEEE反式。电力电子。卷,49号4,第799 - 790页,2002年8月。
f·卡纳莱斯,p .巴博萨和f·李,“零电压和零currentswitching三水平直流/直流转换器,“IEEE反式。电力电子,卷。17日,没有。6日,第904 - 898页,2002年11月。
f -卡纳莱斯·巴博萨c . Aguilar和f·c·李,“high-powerdensityDC /直流转换器大功率分布式电源系统,“在Proc.IEEE电力电子。2003年规范。相依,1卷,15 - 19页。
b m。歌,r·麦克道尔、A .布什内尔和j .埃尼斯”的三级DCDC变换器wide-input ship-electricpowerdistribution系统电压操作,“IEEE反式。等离子体科学。,32卷,不。5日,第1863 - 1856页,2004年10月。
h .盛,w .沈,h . Wang和f . Wang”设计和实施高功率密度三级并联谐振变换器为电容器充电,“在Proc, IEEE达成。电力电子。相依,2月/ 3月。2007,pp。745 - 749。
y张成泽和m . m .约万诺维奇”newthree-level工作转换器,“IEEE反式。电力电子。,20卷,不。1,第81 - 75页,2005年1月。
顾y、z Lu和z钱,“三级LLC串联谐振DC / DCconverter, IEEE反式。电力电子。,20卷,不。4,页781 - 789,Jul.2005 . .