CN101931206B - 一种过电流保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种过电流保护方法，包括电流采样转换单元、电流比较单元、保护动作单元，还包括对过电流阈值点I_CM进行动态调整的过电流阈值运算单元，将上述电流采样转换单元输出的电流值I作为上述过电流阈值运算单元的一个输入量I₁，过电流阈值运算单元对输入量I₁进行动态调整得到一个输出量I₂作为电流阈值点I_CM，将上述电流采样转换单元输出的电流值I作为电流比较单元的输入量I_C与动态调整过的电流阈值点I_CM输入上述电流比较单元进行比较，当电流I_C达到阈值点I_CM时，触发上述保护动作单元进行保护。本发明由于采用上述技术方案，实现了被保护对象的电流阈值的动态调整，从而保证在不损害被保护对象的前提下，充分利用被保护对象的过电流能力。

Description

一种过电流保护方法

技术领域

本发明涉及一种过电流保护的方法，特别涉及功率半导体器件的过流保护方法。

背景技术

在当前的变换系统中，通常包含IGBT、IGCT等功率半导体器件，为了避免这些元件过流损坏，需要设计过流保护装置。传统的过电流保护装置一般包括电流采样转换单元、电流比较单元、保护动作单元等单元。电流比较单元将电流采样转换单元输出的电流值，与整定的过电流阈值点进行比较，当电流达到阈值时，触发保护动作单元，对IGBT等功率半导体器件进行保护，使其禁止工作，达到保护目的。而功率半导体器件的过电流能力通常与其当前内部的结温等有密切关系，即结温低时，其瞬时过电流能力强；而结温高时，其瞬时过电流能力弱。在上述的保护方式中，由于未考虑该因素，当整定电流阈值过大时，会导致不能可靠的进行过电流保护；而整定电流阈值过小则不能充分利用该功率半导体器件的过电流能力。例如：某一开关元件冷态时的瞬时过电流能力为300A，而长时间不间断通过电流的极限能力为150A，若将上述电流阈值整定为300A，则可以确保冷态时电流超过300A时能够有效保护，但是如果该功率半导体器件已经不间断通过150A电流2小时后，其结温已经接近极限情况了，此时，其通过180A的过电流将导致其过流损坏，因此导致上述整定的300A电流阈值不能可靠保护，而整定值设为180A又不能充分利用其冷态时的过电流能力。由上例可知，若按照上述公知的不得过流保护方式，在充分利用功率半导体器件过流能力以及可靠地保护两方面不能同时兼顾。

发明内容

本发明是克服现有技术的不足，提供一种可靠性高，且对功率半导体器件过电流能力的利用率显著增强的过电流保护方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种过电流保护方法，包括电流采样转换单元、电流比较单元、保护动作单元，还包括对过电流阈值点I_CM进行动态调整的过电流阈值运算单元，将上述电流采样转换单元输出的电流值I作为上述过电流阈值运算单元的一个输入量I₁，过电流阈值运算单元对输入量I₁进行动态调整得到一个输出量I₂作为电流阈值点I_CM，将上述电流采样转换单元输出的电流值I作为电流比较单元的输入量I_C与动态调整过的电流阈值点I_CM输入上述电流比较单元进行比较，当电流I_C达到阈值点I_CM时，触发上述保护动作单元进行保护。

优选地，所述的输出量I₂是随其输入I₁以及时间t变化的非常数函数I₂＝f(I₁，t)。

优选地，所述的I₂＝f(I₁，t)由复合函数I₂＝H(Z(I₁，t))给出，且有H(Z)为Z的单调减函数，即有

其中Z为被保护对象的温升。

优选地，所述的Z由状态方程

来确定，其中g为该时刻的由于电流I₁引起的被保护对象的损耗，s为该时刻t所对应的被保护对象的散热，Z₀为t＝t₀时刻温升的初始值。

本发明由于采用上述技术方案，实现了被保护对象的电流阈值的动态调整，从而保证在不损害被保护对象的前提下，充分利用被保护对象的过电流能力。

附图说明

图1所示为本发明的原理框图。

图2所示为本发明的过电流阈值运算单元运算框图。

图3所示为本发明的运算实例框图。

图4所示为本发明保护对象的结温温升Z和通过电流t的曲线图。

图5所示为本发明保护对象的结温温升Z和电流阈值I₂的曲线图。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明的构思作形式而非实质的变化都应当视为发明的保护范围。

请参阅图1、图2、图3，一种过电流保护装置，包括电流采样转换单元、电流比较单元、保护动作单元，还包括对过电流阈值点I_CM进行动态调整的过电流阈值运算单元，上述过电流阈值运算单元至少包含一个输入量I₁，其通过运算产生至少一个输出量I₂。

本发明一种过电流保护方法如下：电流采样转换单元输出的电流值I，一路作为上述过电流阈值运算单元的一个输入量I₁，过电流阈值运算单元对I₁进行动态调整得到一个输出量I₂作为电流阈值点I_CM，输出量I₂是随其输入I₁以及时间t变化的非常数函数I₂＝f(I₁，t)。电流采样转换单元输出的电流值I的另一路I_C与动态调整过的电流阈值点I_CM输入电流比较单元进行比较，当电流I_C达到阈值点I_CM时，电流比较单元给出一输出量F_O，F_O输入保护动作单元，触发保护动作单元进行保护。当电流I_C未达到阈值点I_CM时，电流比较单元没有输出。

上述所述的I₂＝f(I₁，t)可由复合函数I₂＝H(Z(I₁，t))给出，且有H(Z)为Z的单调减函数，即有

其中Z为被保护对象的温升。

所述的Z由状态方程

来确定，其中g为该时刻的由于电流I₁引起的被保护对象的损耗，s为该时刻t所对应的被保护对象的散热，Z₀为t＝t₀时刻温升的初始值。

请参阅图4，为本发明保护对象通过一定的电流I_1B，其结温温升Z和时间t的曲线图，其中，呈现明显的关系是随着通过的电流的时间t的增加，保护对象的结温温升Z也增加趋势。

请参阅图5所示为本发明保护对象的结温温升Z和电流阈值I₂的曲线图。其中，也呈现明显的关系是随着保护对象的结温温升Z也增加，电流阈值I₂的减少趋势。

本发明通过查询保护对象的技术参数，可以获得长时间不间断通过电流的极限能力为150A，冷态时的瞬时过电流能力为300A，被保护对象的过流电能力如上述图4、5所示的规律，如上述图4所示，在B点时，通的电流为I_1B，获得结温温升为Z_B，此结温温升Z_B，通过查询图5，获得此时刻的电流阈值I₂＝I_2B，显然此刻的电流阈值小于冷态时的瞬时过电流能力300A。

Z由状态方程

得到，

即保护对象的温升由Z_n＝Z_n-1+g×0.01-s×0.01运算公式得到，其中g和s，为被保护对象的损耗和散热，

g＝K₂×Z_n-1则

$Z_n=Z_{n-1}+K_1\×I_1^2\×0.01-K_2\×Z_{n-1}\×0.01$

n为运算次数，n∈(1，2，3……)，

K₁＝0.0001279，K₂＝2.8768

本发明一实施例：

Z_max＝1，代表被保护对象的最大温升的标幺值(即100％最大允许温升)

某一时刻n＝5，Z₄＝0.982，I₁＝160A

此时刻的温升标幺值为

$Z_5=Z_4+K_1{I}_1^2\×0.01-K_2{Z}_4\×0.01$

Z₅＝0.982+(0.0001279×160²-2.8768×0.6)×0.01Z₅≈0.9975

此时刻的剩余的温升标幺值为：

$Z^{\′}=\left\{\begin{array}{cc}{Z}_{\max }-Z_5& ,Z_{\max }>Z_5\\ 0& ,Z_{\max }\≤Z_5\end{array}\right.$

Z′＝1-0.9975＝0.0025

则计算当前的阈值I_CM、I₂

$I_{\mathrm{CM}}=I_2=\sqrt{\frac{Z^{\′}+0.0287775}{K\×0.001}}$

$I_{\mathrm{CM}}=I_2=\sqrt{\frac{0.0025+0.00287775}{0.001279\×0.001}}\≈156.4A$

将I_CM＝I₂＝156.4A作为电流比较单元一输入量，输入电流I₁＝160A作为电流比较单元另一输入量I_C，将I_C与动态调整过的电流阈值点I_CM输入电流比较单元进行比较，由此可见I_C＞I_CM，电流比较单元给出一输出量F_O，F_O输入保护动作单元，触发保护动作单元进行保护。

Claims (3)

1.一种过电流保护方法，包括电流采样转换单元、电流比较单元、保护动作单元，其特征在于还包括对过电流阈值点I_CM进行动态调整的过电流阈值运算单元，将上述电流采样转换单元输出的电流值I作为上述过电流阈值运算单元的一个输入量I₁，过电流阈值运算单元对输入量I₁进行动态调整得到一个输出量I₂作为过电流阈值点I_CM，将上述电流采样转换单元输出的电流值I作为电流比较单元的输入量I_C与动态调整过的过电流阈值点I_CM输入上述电流比较单元进行比较，当输入量I_C达到过电流阈值点I_CM时，触发上述保护动作单元进行保护；

所述的输出量I₂是随其输入量I₁以及时间t变化的非常数函数I₂＝f(I₁，t)。

2.根据权利要求1所述的一种过电流保护方法，其特征在于所述的非常数函数I₂＝f(I₁，t)由复合函数I₂＝H(Z(I₁，t))给出，且有H(Z)为Z的单调减函数，即有

其中Z为被保护对象的温升。

3.根据权利要求2所述的一种过电流保护方法，其特征在于所述的Z由状态方程 $\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dZ}}{\mathrm{dt}}=g(Z,I_1)-s\left(Z\right)\\ Z{|}_{t=t_0}=Z_0\end{array}\right.$ 来确定，其中g为t时刻的由于输入量I₁引起的被保护对象的损耗，s为t时刻所对应的被保护对象的散热，Z₀为t＝t₀时刻温升的初始值。

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