飞跨电容三电平双向直流变换器的短路保护

陈海东，何 宁，徐国金，周玉虎

（台达电子杭州设计中心，浙江 杭州 310051）

0 引 言

随着能源和环境的挑战日益严峻，大力发展可再生能源是推动绿色低碳发展和加快生态文明建设的重要支撑，也是应对气候变化的重要举措。对中国这样一个能源生产和消费大国来说，发展新能源汽车已经成为国家战略。目前，电动汽车的研究主要围绕在如何发掘其充电灵活性上。电动汽车作为通勤交通工具使用，现有工作利用其相对宽裕的充电时间开展充电调度，实现效率的提升[1]。应用高压直流快速充电技术为新能源汽车充电，功率大且充电速度较快[2]。

电池储能系统的一个重要组成部分就是基于脉冲宽度调制（Pulse Wiolth Modulation，PWM）技术的电压源型逆变器，即储能变流器（Power Conversion System，PCS）。通过PCS实现电池储能系统直流电池与交流电网之间的双向能量传递，通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、对网侧负荷功率的跟踪以及对正常及孤岛运行方式下网侧电压的控制等。

目前，常用的PCS拓扑结构如图1所示，采用双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器。双向DC/DC变换器用来调整直流电压和电池充放电电流，双向DC/AC起到整流和逆变功能，实现电池储能系统与电网的能量交换。PCS拓扑结构的优点是适应性强，可实现对多串电池组的充放电管理。DC/DC环节可实现直流电压的升降，使得储能电池的容量差异和荷电状态（Stade of Charge，SOC）高低配置更加灵活。不仅适用于电动汽车换电模式下在换电站对多个电池包的先后加入充电，也适用于电动汽车退役电池的二次利用。

图1 含DC/DC与DC/AC环节的共直流母线结构

并且，PCS直流母线储能拓扑结构连接多台DC/DC变换器，模块化的设计理念和分布式储能系统架构可实现电池模组的精细化管理。储能系统在全生命周期内的放电容量更高且投资更优，安全可靠。

飞跨电容三电平变换器与传统的两电平直流变换器相比较，优势在于开关管承受的电压应力较小，且可以减小输出电感体积，降低动态响应时间。正因为这两个优点，三电平双向直流变换器广泛地应用于轨道交通、新能源发电以及储能等高直流电压储能系统等领域[3]。但是飞跨电容具有电容容量大和电容电压高等特点，一旦变换器外部发生短路故障后，飞跨电容上面的能量释放，瞬间产生很大的短路电流，如果不及时处理，将进一步造成火灾事故，因此研究飞跨电容三电平双向直流变换器的短路保护很有意义。

1 多变换器并联拓扑母线侧短路危害

1.1 变换器母线侧端口短路

多变换器并联结构如图2所示，当#2号变换器a、b处发生短路时，即为变换器母线侧端口短路故障。

图2 多变换器并联结构

1.2 变换器母线侧端口短路的危害

直流侧短路故障会产生极大的电流和热量，主要有以下几个方面影响。一是变换器短路时，直流线路阻抗通常较小，将造成短路电流上升速度极快；二是过大的短路电流会造成器件过热损坏，同时给电池的安全与寿命带来不利影响；三是过大的短路电流会造成短路变换器内部的分断装置无法有效断开；四是变换器多个并联的条件下，一个变换器端口发生短路，有可能造成多个并联变换器过流并且同时毁坏熔断器，增加了维修成本和时间；五是单台变换器仅可以提供数千安培的短时短路电流，而多台变换器并联在一起后，每一台变换器都会向短路点提供短路电流，从而可以形成很大的总短路电流。

针对上述危害，本文分析了如何实现短路回路电流的检测、如何快速切断短路回路以及如何保证变换器自身“存活”下来等问题，提出了具体的设计方案和控制策略，确保整个系统的安全稳定运行。

2 飞跨电容三电平变换器高压侧短路电流路径分析

飞跨电容三电平变换器高压侧短路电流路径示意如图3所示。

如图3所示，该拓扑的特殊性导致出现高压侧短路故障，内部S1、S2、S3以及S4主管的驱动关闭。由于继电器不能快速带载切断，内部电容以及电池侧的能量还是会通过主管的体二极管向高压侧释放。高压侧发生短路之后，形成以下4组放电路径。

图3 飞跨电容三电平变换器高压侧短路电流路径示意图

放电回路1是输入电容C1→S5→S6→CS→a、b→K1→Fuse1→Fuse2→K2；放电回路2是飞跨电容 C2→ D1（S1）→ S5→ S6→ CS→ K1→ Fuse1→ a、b→ Fuse2→ K2→ D4（S4）； 放 电 回 路 3是 输出 电 容 C3→ L － D2（S2） → D1（S1） → S5→S6→CS→K1→Fuse1→a、b→Fuse2→K2；放电回路4是电池侧能量通过Fuse3→K3→L→D2（S2）→ D1（S1） → S5→ S6→ CS → K1→ Fuse1→ a、b→Fuse2→K2→K4→Fuse4。

上面4组放电回路中，任何回路持续时间越长，短路电流越大，必定造成变换器损毁。其中S6的主要作用是在保护变换器内部发生短路之后，用过快速关闭切断外部和变换器内部短路回路。分析上述高压侧的短路电流回路可知，短路电流同时经过IGBT和电流传感器，由此介绍两种短路保护方案。方案1通过绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transisteo，IGBT）驱动电路退饱和功能，限制短路电流；方案2采用电流传感器CS作为总短路电流的检测源。当短路电流增加到过流保护阈值时，产生过流触发信号，由触发信号来快速关闭IGBT的驱动信号。

3 短路保护仿真分析

建立飞跨电容三电平变换器模型和高压侧短路故障模型，如图4所示。其中仿真参数UHV=1 500 V，ULV=1 000 V，共模电感漏感Lk=10 μF。图4中S1开关闭合代表高压侧发生短路故障，S2开关代表IGBT器件，短路发生到S2开关闭合，持续时间为短路过流响应时间。

图4 飞跨电容三电平变换器短路保护模型

仿真可得短路电压与电流波形如图5所示，仿真中设置过流响应时间为3μs，短路电流峰值约为580 A。短路电流的大小主要取决于短路回路阻抗、回路电感以及IGBT关断响应时间，DIODE（D5）可以提供电感（L2）续流回路，防止电感和回路结电容产生震荡，将UE点的电压钳位在零电平，限制IGBT电压应力。

图5 短路电压、电流与时间波形

4 短路保护实现电路与设计

4.1 IGBT退饱和短路检测方案

退饱和短路检测电路如图6所示。IGBT的工作状态有饱和区、线性区以及截止区3种工作状态。当回路中产生很大的短路电流时，IC电流快速上升，上升到一定的数值之后不再增加，然后UCE快速上升到母线电压，二极管Dd反向截止工作，电容CRES被驱动内部电流恒流源充电，当CRES电压被充电到内部比较器基准电压Uref时，比较输出电压翻转，驱动芯片进入保护状态，从而实现短路保护的功能[4]。

图6 退饱和短路检测电路

4.2 电流传感器检测短路保护方案

短路保护逻辑如图7所示，包括4个功能组成部分。

第1部分是快速比较器电路，比较器负极输入端连接CT采样的输出信号，正极输入端连接参考电压Uref，用来判断CT上流过的电流是否过流。第2部分是干扰屏蔽电路，增加抗干扰电路防止短路保护功能误动作。第3部分是RS触发器电路，当过流保护触发之后，比较器输出为低，电容C1迅速放电，RS触发器的输入端S引脚为低，输出端Q由高跳低，并且在故障解除之后，无论R端输入高或者低，RS触发器均为低，减小了再次被干扰的风险。第4部分是IGBT驱动电路，当RS触发器的输出为低，通过二极管将驱动IV信号拉低，关闭驱动信号。

当外部端口短路后，电流传感器CS流过的电流突然变大，传感器将采样到的电流信号转化为电压信号与比较器设定的阈值基准电压比较，当短路电流达到设定的阈值之后，比较器输出电平信号由高电平快速翻转为低电平，该信号传递到RS触发器锁定之后，触发器输出信号Q将IGBT驱动信号快速拉低，IGBT关断，切断整个变换器内部的短路电流路径[5]。

5 短路保护实验

为了验证两种短路保护电路的正确性以及短路电流的抑制能力，搭建了样机。试验中模拟高压侧短路开关装置采用可控硅模块，可控硅模块控制简单、灵敏、响应快，型号为Infineon-TZ810N22K，样机参数见表1。

表1 样机参数表

为了直观地比较文中提到的短路保护方案，进行高压侧短路试验。首先样机通过内部Fuse熔断来切断短路回路，测试端口的短路电流，其次分别试验退饱和短路和传感器短路检测方案，最后将测试结果比较，选择最优方案。

试验工况中，高压侧电压为1 500 V，低压侧电压为1 000 V，从低压侧向高压侧放电电流为40 A。试验得到Fuse熔断短路波形如图8所示，退饱和保护短路波形如图9所示，电流传感器保护短路波形如图10所示，短路保护方案测试结果如表2所示。

表2 短路保护方案测试结果

图8 Fuse熔断短路波形

图10 电流传感器保护短路波形

图8中的短路通过Fuse熔断来切断短路回路，回路中短路电流达到2 580 A，持续时间比较长，导致样机Fuse，S1，S2，S4管都不同程度损坏，因此这种短路不可取。图9中的退饱和短路保护方案结构简单，但是抗干扰要求较高，需要增加屏蔽电路，因此过流检测就会加长时间，从而短路保护的峰值电流也会增加。图10中的电流传感器短路保护方案短路响应时间更短，短路电流越小，回路器件的耐冲击能量越小，主功率器件选型上越有优势。两种短路保护方案比较如表3所示。

表3 两种短路保护方案比较

由表3可知，电流传感器短路保护方案更合理。样机试验经过不同电压和不同的负载电流，在多种组合短路测试条件下短路模块未损坏，从而验证了该短路电流抑制电路的合理性。

6 结 论

充电基础设施是新能源汽车产业的重要支撑，是一种新型的城市基础设施。随着新能源的接入，电池储能系统在电力系统中起到越来越重要的作用。本文提出PCS直流母线储能系统中多并联变换器的母线侧出现短路故障问题，研究了飞跨电容型三电平变换器高压侧短路后内部电容和电池侧的放电路径。为了抑制高压侧短路电流，建立飞跨电容型三电平变换器拓扑模型以及高压侧短路模型，推导了IGBT关断响应时间对短路电流的限制起到决定性作用。提出两种短路保护实现电路与设计方案，分别进行了短路保护试验，验证电流传感器短路保护方案更加快速和有效，对器件的选型和成本控制有实际指导意义。