矩阵变换器的过电压防护方法 及有源过电压防护装置 本发明涉及一种矩阵变换器的过电压防护方法，该矩阵变换器具有按3×3开关矩阵形式排列的九个双向断路器；本发明还涉及一种有源过电压防护装置。
矩阵变换器即自引导直接变换器。这种自引导直接变换器是没有中间回路的变换器。通过将功率电开关排列成3×3开关矩阵的形式，使三个输入相与三个输出相连接。这种自引导直接变换器的优点在于，通过拓扑结构实现反馈，并通过相应的特殊控制实现正弦形的线路电流。作为这些开关矩阵的双向开关一方面可以使用集成在二极管电桥中的半导体开关，另一方面可以使用两个反向串联的半导体开关。这些开关矩阵的双向断路器的两个反向串联的半导体开关的实现或者采取“共发射极模式”，或者采用“共集电极模式”的拓扑结构。这种将半导体开关嵌入二极管电桥的双向断路器的实施方式被称为“嵌入开关”。
图1详细示出了拓扑结构为“共集电极模式”的双向开关2的电路图。图2为了比较示出了拓扑结构为“共发射极模式”的双向断路器2。这些双向断路器2分别具有两个反向串联地半导体开关4和6。在图1中，这两个半导体开关4和6是这样反向串联的，即两个集电极端相互电连接。因此，两个半导体开关4和6的这种反向串联也称为“共集电极模式”。在图2中两个半导体开关4和6是这样反向串联的，即两个发射极端相互电连接。根据这种发射极端的连接将这种连接称为“共发射极模式”。作为半导体开关4和6可以使用可关断的半导体开关，特别是各具有一个反向二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。在双向断路器2的输入端可以识别其内部拓扑结构。对于图1所示的拓扑结构为“共集电极模式”的双向断路器2，该双向断路器2的E1、E2、G1和G2端可用。相反，对于图2所示的拓扑结构为“共发射极模式”的双向断路器2，为C1、C2、G1和G2端可用。此外，这些双向断路器2还具有各构成一个控制端的辅助端EH1和EH2。
图3详细示出了一个拓扑结构为“嵌入开关”的双向断路器2的电路图。该双向断路器2具有一个设置在二极管电桥中的、可关断的半导体开关5(特别是一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT))。该半导体开关5在集电极一侧与两个二极管的阴极电连接，在发射极一侧与另两个二极管的阳极电连接。这些二极管的自由端分别构成该双向断路器2的输入和输出端。
通过矩阵变换器的双向断路器2的半导体开关4和6或半导体开关5的控制，可以将电流路径按某一个方向接通。如果控制两个半导体开关4和6，则可使电流向两个方向流动，以实现输入端相位和输出端相位间更可靠的电连接。对于拓扑结构为“共集电极模式”或“共发射极模式”的双向断路器2，如果仅对矩阵变换器的双向断路器2的一个半导体开关4或6进行控制，则仅存在对优选电流方向的连接。矩阵变换器的相位是三个双向断路器的一种排列，这三个双向断路器分别与三个电网相位相连以产生输出相位。
由于所述矩阵变换器不具有如电压级间耦合电路变换器那样的无源无载电路，特别是在由NOT-AUS产生的脉冲阻断(所有半导体开关的控制脉冲切断)情况下，由于电流回路中存在的电感会在半导体开关上产生很高的截止电压。这种过电压还可以由于双向断路器控制的中断而产生。在所述的这些情况中，每次都会使输出电流中断。输出电流回路的中断与电流回路中的电感是造成可能毁坏半导体开关的过电压的原因。
在公开发表物“Novel Solutions for Protection of Matrix Converter toThree Phase Induction Machine(三相感应电机矩阵变换器防护的新解决方案)”(“IEEE Industry Applications Society(国际电器和电子工程师协会工业应用协会)”会议论文集，New Orleans，Louisiana，1997年10月5-9日，第1447至1454页)中公开了一种过电压防护装置。该过电压防护装置具有两个6脉冲二极管电桥，它们在直流电压侧借助于一个电容器相互连接的；在交流电压侧一个6脉冲二极管电桥与矩阵变换器的输入端相连，另一个二极管电桥与矩阵变换器的输出端相连。一个电阻与该电容器电并联，为该电容器充电。此外，在矩阵变换器的输入端连接了一个在输入端与三相电网连接的LC滤波器，该LC滤波器也称为输入滤波器，它阻止电网脉冲频率的谐波。该滤波器的大小取决于矩阵变换器的脉冲频率。
出现的过电压将由二极管电桥进行整流并加到电容器上。在美国专利4,697,230中也公开了一种这样的过电压防护装置，其中，要求有一个电容器预充电电路。该电容器预充电电路用于使在矩阵变换器接通时没有接通电流尖峰或双倍于电网电压的过电压产生。这种过电压造成很高的、须流经二极管电桥的二极管尖峰电流。电阻的大小是根据能使电容器释放的预定的能量来确定的。
由公开出版物“Performance of a two Steps Commuated Matrix Converterfor AC-Variable-Speed Drives(用于交流变速驱动的两步转换矩阵变换器的性能)”(EPE’99会议论文集，Lausanne，1999年9月，第1至9页)同样公开了一种具有两个6脉冲二极管电桥的过电压防护装置。其中每个二极管电桥在其直流电一侧都有一个电容器。这两个电容器是电并联的。一个齐纳二极管和一个脉冲电阻(Pulswiderstand)与该两个电容器电并联，它们将电容器上的电压限定在一个预先设定的值上。此外，每个双向断路器具有一个压敏电阻和两个反向串连的齐纳二极管，利用它们来限制双向断路器上的过电压。
在Axel Schuster先生发表的“A Matrix Converter without ReactiveClamp Elements for an Induction Motor Drive System(用于感应电机驱动系统的不带电抗箝位元件的矩阵变换器)”(IEEE，1998，第714至720页)中，用多个压敏电阻作为过电压防护装置。3×3开关矩阵的每个双向断路器的每个半导体开关电并联一个压敏电阻。这些压敏电阻保护九个双向断路器的十八个半导体开关不受过电压的影响。
在使用这种过电压防护装置时，对于共集电极模式的双向断路器两个反向串连的半导体开关的两个集电极端的连接点须是引出的。双向断路器还可以由单个的半导体器件构成。只有当集电极端或其连接点是可引入的时，双向断路器的各半导体开关才是与压敏电阻电并联的。
在“Beschaltung von SIPMOS-Transistoren(SIPMOS晶体管布线)”(“Siemens-Components(西门子元器件)”，第22卷，第4期，1984，第157至159页)中公开了一种电压箝位电路。在图4中对采用半导体开关4的该电压箝位电路作了详细描述，并用8表示该电路。该电压箝位电路8由一个齐纳二极管10(特别是高压齐纳二极管，也被称为击穿二极管)和一个去耦二极管12构成。该电压箝位电路8连接在半导体开关4的集电极端C和栅极端G之间。半导体开关4由一个具有反向二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构成。去耦二极管12在半导体开关4接通时将电压箝位电路8与半导体开关4的栅极端G隔开。在半导体开关4处于阻断状态时一旦其集电极-发射极电压超过击穿二极管的Z-电压、去耦二极管12的阈电压和栅极-发射极电压之和，半导体开关4就成为单独控制的。由此使半导体开关4上出现的过电压有效地得到限制，但在半导体开关4和击穿二极管10中会产生损耗。
这种有源过电压防护装置可以直接用于拓扑结构为“共发射极模式”(图2)的双向断路器。即共发射极模式下的双向断路器2的各半导体开关4和6将电压箝位电路8电并联于集电极-栅极段。这可以不用很多成本就可实现，因为所需的连接端集电极端C和栅极端G都可用。
将这种公知的电压箝位电路8直接用于共集电极模式下的双向断路器是不可能的。为使其变为可能，须将双向断路器2的共集电极连接引出。
本发明要解决的技术问题是，以合理的成本和开销对矩阵变换器进行过电压保护。
本发明的技术问题通过独立权利要求1中的技术特征来解决。
按照本发明的方法首先确定过电压的存在，该过电压然后自动控制矩阵变换器的所有受到威胁的双向断路器。由此，过电压就不能损坏矩阵变换器的任何双向断路器了，因为通过双向断路器的这种自动控制可将过电压有效地限制在一个预先设定的值上。在本发明的方法中，在矩阵变换器的哪个端上出现过电压是无关紧要的，所关注的仅是是否出现过电压。一旦探测到产生了过电压，则所有双向断路器都受到这样的控制，即对所确定的过电压进行有效地限制。
在一种具有优点的方法中，不是对矩阵变换器的输入端和/或输出端的电位进行分析，而是对矩阵变换器的所有双向断路器的控制端的电位进行分析。因此，该具有优点的方法的不同之处仅在于探测过电压的位置，而不是对所确定的过电压进行有效的限制。
本发明的有源过电压防护装置具有至少一个整流器电路、至少一个高压齐纳二极管和至少一个具有多个高阻塞二极管(hochsperrende Diode)的二极管电路，其中，每个高压齐纳二极管的阴极一侧分别与整流器电路的一个输出端相连接，其阳极一侧分别与二极管电路的一个输入相连接。整流器电路的输入端与矩阵变换器的输入端和/或输出端，或者与矩阵变换器的输入端和至少一个输出端相连接。所述二极管电路的高阻塞二极管在阴极一侧分别与矩阵变换器的双向断路器的控制端相连接。
有源过电压防护装置的一种具有优点的实施方式是面向变换器的。即，矩阵变换器的所有输入端和输出端均与整流器电路的输入端连接。此外，只需要一个高压齐纳二极管，二极管电路的输入端连接于其阳极。通过这种有源过电压防护装置的面向变换器的实施方式，仅需要一个高压齐纳二极管。
在有源过电压防护装置的另一种具有优点的实施方式中，将二极管电路的三个高阻塞的二极管分别用一个由三个低阻塞的(niedersperrend)齐纳二极管和一个高阻塞的二极管构成的二极管电路来替代。这三个低阻塞的齐纳二极管在阳极一侧与高阻塞的二极管的阴极相连接。通过这种实施方式可以大大减少高阻塞的二极管的数目。
有源过电压防护装置的实施方式也可以是面向相位的，为此需要三个高压齐纳二极管和三个整流器电路。在这种有源过电压防护装置的面向相位的实施方式中，也可以将二极管电路的三个高阻塞的二极管分别用一个由三个低阻塞的齐纳二极管和一个高阻塞的二极管构成的二极管电路来替代。
此外，可以根据电流在矩阵变换器中的方向来划分有源过电压防护装置面向变换器或面向相位的实施方式。即，所述有源过电压防护装置可以是面向相位的或面向变换器的，并且对于入、出方向可以是共同构造的或分开构造的。面向相位的以及入、出方向分开的实施方式需要多个高压齐纳二极管(即六个)。
有源过电压防护装置实施方式的选择取决于矩阵变换器的构造。所述双向断路器可以全部设置在一个模块里，也可以按照相位分别集成在一个模块里或者在电源或负载一侧分别集成在一个模块里。因此有源过电压防护装置的结构取决于矩阵变换器的构造，该过电压防护装置的一部分可以放置在离变换器模块很近的位置。由此可以实现有源过电压防护装置与矩阵变换器的低电感连接。
下面将参照附图对本发明作进一步描述，这些附图概略地示出了本发明有源过电压防护装置的多种实施方式，其中：
图1示出了共集电极模式下的双向断路器的电路图，
图2示出了共发射极模式下的双向断路器的电路图，
图3示出了作为嵌入式开关的双向断路器的电路图，
图4示出了一个用于半导体开关的电压箝位电路，
图5示出了一个具有图1所示的双向断路器的矩阵变换器的电路图，
图6示出了一个具有图3所示的双向断路器的矩阵变换器的电路图，
图7示出了按照本发明的有源过电压防护装置的一种变型的面向变换器的实施方式，其中
图8示出了图7所示的有源过电压防护装置的具有优点的实施方式，
图9示出了本发明有源过电压防护装置的入和出方向分开的面向变换器的实施方式，
图10示出了图9所示的有源过电压防护装置的一种具有优点的实施方式，
图11示出了本发明过电压防护装置一个面向相位的实施方式，
图12示出了图11所示的有源过电压防护装置面向相位的实施方式的一种具有优点的实施方式，
图13示出了本发明有源过电压防护装置的入和出方向分开的面向相位的实施方式，
图14详细示出了本发明有源过电压防护装置第二种变型的面向变换器的实施方式，
图15示出了入和出方向分开的第二种变型的面向变换器的实施方式，
图16示出了图14所示的第二种变型的面向相位的实施方式。
在图5中示出了具有九个共集电极模式的双向断路器2的矩阵变换器28的电路图。这些双向断路器2排列成一个3×3开关矩阵。这些双向断路器2的发射极端或者构成矩阵变换器28的输入端U、V或W，或者构成矩阵变换器28的输出端X、Y及Z。输入端U、V及W与三相电网30连接，输出端X、Y及Z与三相负载、特别是感应式电机连接。双向断路器2在电网一侧的半导体开关6的栅极端G用下标N’加以标识，而双向断路器2在负载一侧的半导体开关4的栅极端G用下标P’加以标识。矩阵变换器28的一个相是三个双向断路器2的排列，它们分别构成电网一侧的连接端U、V及W与负载一侧的连接端X、Y及Z之间的连接。出于这个原因将双向断路器2的栅极端G用两种下标值来表示。在这个共集电极模式的具有双向断路器2的矩阵变换器28的等效电路图中，为清楚起见略去了双向断路器2的反向串联的半导体开关4和6的反向并联的二极管。
在图6中示出了嵌入式模式的具有双向断路器2的矩阵变换器28。该矩阵变换器28与图5所示的矩阵变换器28的不同之处仅在于双向断路器2的拓扑结构。
因此，为了避免矩阵变换器28受到出现的过电压的损坏，设置了一种有源过电压防护装置，它具有至少一个整流器电路、至少一个高压齐纳二极管和至少一个二极管电路。
图7详细示出了本发明有源过电压防护装置的第一种变型的第一种面向变换器的实施方式。该过电压防护装置具有一个整流器电路34、一个高压齐纳二极管10(也称为击穿二极管)和一个二极管电路36。该整流器电路34具有三个面向电网一侧的二极管18和三个面向负载一侧的二极管16。二极管18在阳极一侧分别与矩阵变换器28的输入端U、V或W连接，二极管16分别与矩阵变换器28的输出端X、Y或Z连接。二极管电路36具有九个二极管20和九个二极管22。二极管20和22的阴极一侧分别与矩阵变换器28的双向断路器2的栅极端G连接。二极管20和22的阳极一侧与击穿二极管10的阳极端连接，该击穿二极管在阴极一侧与整流器电路34的二极管16和18的阴极端电连接。由于该有源过电压防护装置只具有一个整流器电路34和一个高压齐纳二极管10，因此它的构造是面向变换器的。当矩阵变换器28由一个模块构成时，可以以具有优点的方式使用这种面向变换器的有源过电压防护装置。
图8示出了有源过电压防护装置的第一种变型的一种具有优点的实施方式。这种具有优点的实施方式与图7所示的实施方式的不同之处在于，这里将二极管电路36的每三个高阻塞的二极管20和22分别替换为二极管电路38和40。二极管电路38、40由三个低阻塞的齐纳二极管42、44和一个高阻塞的二极管46、48构成。这三个低阻塞的齐纳二极管42和44在阳极与高阻塞的二极管46或48的阴极连接，高阻塞的二极管46、48的阳极与高压齐纳二极管10的阳极连接。这种实施将高阻塞的二极管20和22的数目从九个减少到三个。由此降低了有源过电压防护装置的成本。
图9示出了有源过电压防护装置的第一种变型的面向变换器的实施方式，其中，入和出方向是分开的。相对于图7中的实施方式，整流器电路34和二极管电路36分别被分成一半。即整流器电路34的二极管18和16分别构成一个部分整流器电路50和52，二极管电路36的二极管20和22也相应地分别构成部分二极管电路54和56。二极管18和16在阴极一侧分别与击穿二极管10的阴极端连接。击穿二极管10的阳极一侧与部分二极管电路54和56的二极管20和22的阳极相连接。当矩阵变换器28用两个模块实现时，优选地使用这种有源过电压防护装置的实施方式，其中，在电网一侧的所有半导体开关6集成在一个模块中，在另一个模块中集成了在负载一侧的所有半导体开关4。
图10详细示出了图9所示实施方式的一种具有优点的实施方式。在这种变型中，高阻塞的二极管20和22的数目大大减少。分别取代部分二极管电路54和56的九个高阻塞的二极管20和22的，仅为三个高阻塞的二极管46和48，它们分别具有三个低阻塞的齐纳二极管42和44。其中，每个高阻塞的二极管46和48在阴极一侧与三个齐纳二极管42或44的阳极端电连接，三个齐纳二极管42或44的阴极一侧与矩阵变换器28的双向断路器2的控制端相连接。通过减少高阻塞的二极管46和48的数目可以减小二极管电路36的体积。此外，还降低了用于矩阵变换器28的有源过电压防护装置的成本。
图11示出了本发明的用于矩阵变换器28的过电压防沪装置的面向相位的实施方式。这种实施方式与图7所示的实施方式的不同之处在于，整流器电路34和二极管电路36分别被划分为三个部分整流器电路58、60和62，以及三个部分二极管电路64、66和68。每个部分整流器电路58、60和62一方面与矩阵变换器28的输入端U、V和W连接，另一方面又与矩阵变换器28的一个输出端X或Y或Z连接。部分二极管电路64、66和68分别与矩阵变换器28的双向断路器2的控制端相连接。在这种实施方式中，如同图7所示的实施方式，入、出方向不是分开的。因此，当矩阵变换器28每个相位只具有一个模块时，也推荐使用图11所示的过电压防护装置。
图12详细示出了根据图11的一种具有优点的实施方式。在这种具有优点的实施方式中，对部分二极管电路64、66和68的每三个高阻塞的二极管20和22也分别用二极管电路38和40来替代，这里仅详细示出了二极管电路40。
图13示出了本发明的有源过电压防护装置的面向相位的实施方式，其中，矩阵变换器28的入和出方向是分开的。这种实施方式与图11所示实施方式的不同之处在于，这里每个部分整流器电路58、60和62和每个部分二极管电路64、66和68被分为两半。由此仅使用了双倍的高压齐纳二极管10。
图14详细示出了本发明有源过电压防护装置的第二种变型的面向变换器的实施方式。其与第一种变型的主要区别在于，这里整流器电路34在其输入一侧不再与矩阵变换器28的输入端和输出端U、V、W和X、Y、Z相连接，而是与矩阵变换器28的双向断路器2的控制端G相连接。由于这种原因，现在整流器电路34具有十八个高阻塞的二极管16和18，它们全部在阴极一侧相互连接。该连接点构成了整流器电路34的输出。二极管电路36的构造与图7所示的有源过电压防护装置的实施方式中的二极管电路36的构造相同。因此，该有源过电压防护装置的第二种变型的第一种实施方式同样也是面向变换器的。在图16中示出了根据图14的第二种变型的面向相位的实施方式，在图15中详细示出了入和出方向分开的、第二种变型的面向变换器的实施方式。图14至图16所示的有源过电压防护装置的第二种变型的这些实施方式只能用于其九个双向断路器2以“共集电极模式”或“共发射极模式”按拓扑结构相连接的矩阵变换器28。有源过电压防护装置的第二种变型不能用于拓扑结构为“嵌入模式”的双向断路器2的矩阵变换器28。
通过将至少一个高压齐纳二极管公用于矩阵变换器28的双向断路器2的所有半导体开关4、6及5，使得矩阵变换器28的过电压保护成本很低。对于双向断路器2的所有半导体开关4、6及5的电压限制在有源过电压防护装置的面向变换器的实施方式中由一个唯一的高压齐纳二极管10实现。通过本发明的有源过电压防护装置对是否存在在矩阵变换器28中产生的电压进行测定，其中，感兴趣只是是否产生了过电压，而不是在矩阵变换器28中产生过电压的位置。一个所测定的过电压在有源过电压防护装置的面向变换器的实施方式中将导致矩阵变换器28的双向断路器2的所有半导体开关4、6及5受到控制后能有效地限制该过电压。以此使过电压保护不再是对双向断路器2的各个半导体开关4、6及5或各个双向断路器2分别进行的，而是对矩阵变换器28整体进行的。