CN102386612B - 电力转换设备的保护回路 - Google Patents

电力转换设备的保护回路 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种电力转换设备的保护电路，可分别检测电源中断用的各开关的短路故障状态，从而减少故障检测用的信号线和连接器端子的数量。电力转换设备的保护电路根据在电力转换设备的异常时产生的中断信号，中断构成电力转换设备的半导体开关元件用的驱动电路的电源。保护电路包括：设于驱动电路的电源供给用线，根据中断信号而断开的串联连接的开关(21)、(22)；设于中断信号的路径具有三态输出的缓冲IC(14)、(15)；控制缓冲IC(14)、(15)并使各开关(21)、(22)分别断开的控制装置(CPU13)；以及在开关(21)、(22)的串联电路的输出侧监视供应给驱动电路的电压的监视装置(CPU13)。监视装置具有的功能是，如果驱动电路供应电压是正常值，则判断由任一缓冲IC(14)、(15)断开的开关处于短路故障状态。

Description

电力转换设备的保护回路
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2010年9月3日提交的日本专利申请No.2010-197451的优先权，纳入其中的内容以作参考。
技术领域
本发明涉及具有半导体开关元件的电力转换设备的保护电路。该保护电路检测电力转换设备的异常，中断对上述开关元件的驱动电路的供电，从而保护电力转换设备。
背景技术
图3(a)、(b)表示用于逆变器等电力转换设备的常规保护电路的主要部分。
图3(a)的保护电路被称为串联连接冗余电路。在电力转换设备异常时，保护电路将中断对构成该电力转换设备的诸如IGBT的半导体开关元件的栅极驱动电路的供电。该中断通过由互相串联连接的继电器或者晶体管构成的开关21、22进行的。图3(b)的保护电路被称为并联连接冗余电路。保护电路通过并联连接的开关21、22，分别中断对电力转换设备的上臂开关元件、下臂开关元件的栅极驱动电路的供电。
在图3(a)、(b)中，附图标记10代表用于根据在电力转换设备异常时发出的中断信号控制开关21、22的控制电路板，标记20A、20B代表用于供给或者中断对栅极驱动电路的供电的驱动电路板，标记11代表用于接收上述中断信号的信号输入端子，标记12代表信号绝缘用的光耦合器，而标记13代表CPU。
图3(a)、(b)的保护电路在半导体开关元件产生如短路故障等异常时对电力转换设备进行如下保护。将在信号输入端子11接收的中断信号经由光耦合器12供给至开关21、22，使这些开关21、22同时断开，以中断对栅极驱动电路的供电。其结果是，所有开关元件被断开，从而中断电力转换设备的输出。从而保护电力转换设备。
为了确保由安全标准所需要的冗余性，假定多个开关即图3(a)、(b)中的各开关21、22串联或者并联连接，并且始终以相同状态操作，这意味着所有的开关为接通状态或者所有的开关为断开状态。
安全标准还需要可以尽可能地检测损害冗余性的每个开关的故障。因此，CPU 13读取来自图3(a)中的开关21、22的串联连接电路的输出、以及来自图3(b)中的开关21、22的并联连接电路的输出，从而监视相关点的信号状态和开关的任何故障。
图3(a)、(b)的保护电路具有被称作电源中断系统的电路结构，在异常时中断对栅极驱动电路的供电。已知另一类型的保护电路被称作信号中断系统，其中使用具有三态输出的缓冲IC代替上述开关，电力转换设备的全部栅极驱动信号、在三相电力转换设备情形中的6个信号被断开。
下面，说明电源中断系统及信号中断系统的优点、缺点。此处，假定电源中断系统如图3(a)、(b)所示，具有2个开关21、22。
[电源中断系统]
(1)串联连接冗余电路(图3(a))
·优点：保护电路不会不利地受到开关21、22的状态变化和特性偏差的影响。
·缺点：在任何短路故障时无法或极难标识出哪个开关短路。
(2)并联连接冗余电路(图3(b))
·优点：由于CPU接收了来自各开关21、22的输出信号，因此在任何短路故障时，相当容易检测哪个开关短路。
·缺点：由于各开关21、22的状态变化和特性的偏差，会过渡地发生意外的操作。另外，为了检测各开关21、22的短路故障，需要将来自开关21、22的输出信号传送至CPU 13的信号线。在如图3(b)所示CPU 13与开关21、22放置在单独的电路板10、20B的情况下，连接器端子数增加，从而导致电路面积的增加和成本上升。
[信号中断系统]
(1)串联连接冗余电路
·优点：保护电路极少受到各缓冲IC的状态变化或特性偏差的影响。
·缺点：由于除了端子输入有6个栅极信号，因此必需用于故障监视的大量对象。此外，在一个缓冲IC被固定于启用状况的故障中，无法或极难检测出故障。
(2)串联连接冗余电路
·优点：各缓冲IC的故障检测相当容易。
·缺点：由于各缓冲IC的状态变化或特性的偏差，会过渡地发生意外的操作。此外，与串联连接冗余电路同样，要监视大量对象，从而使得故障检测电路复杂。
专利文献1公开了信号中断系统的半导体元件的异常检测及保护电路。
图4是该专利文献1所公开的异常检测及保护电路的结构图。在图4中，标记30代表电力转换设备的上臂或者下臂的半导体开关元件，标记41代表短路检测装置，标记42代表过电流检测装置，标记43代表不足电压检测装置，标记44代表过热检测装置，标记51～54代表与各检测装置41～44对应而设的异常储存电路，标记60代表异常通知电路，标记70代表一般控制系统，标记80代表用于对开关元件30生成栅极信号的驱动电路，标记90代表操作停止装置。
图4的电路通过检测装置41～44检测开关元件30中的各种异常并将其储存在异常储存电路51～54。在异常是需要紧急保护的类型时，基于来自异常储存电路51～54的输出对操作停止装置90进行操作，且将用于开关元件30的栅极信号强制接地，从而停止开关元件30的操作。
在异常不是需要紧急处理的类型时，将来自异常储存电路51～54的输出经由异常通知电路60发送至一般控制系统70，一般控制系统70进行的处理包括与异常的种类和其他臂的开关元件的状况相应地，变更发送至驱动电路80的开关指令的逻辑。
专利文献1：日本未审查专利申请No.H9-238476(具体是段落[0011]～[0023]、图1)
如上所述的信号中断系统的保护电路需要大量的监视对象，因而故障检测电路易于变得复杂。
电源中断系统的保护电路难以分别检测各开关的短路故障。特别是在并联连接冗余电路中，为了检测各短路故障，需要与开关数量相同的信号线和连接器端子，这导致电路复杂、电路面积增加、成本上升。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种电力转换设备的保护电路，通过采用电源中断系统解决信号中断系统的缺点，允许分别检测电源中断用的各开关的短路故障，并减少故障检测的信号线和连接器端子的数量。
为实现上述目的，根据技术方案1的本发明的电力转换设备的保护电路，根据基于电力转换设备的异常而产生的中断信号，中断对构成电力转换设备的半导体开关元件的驱动电路的供电，该保护电路包括：多个串联连接的开关，设置在向驱动电路供电的线路中的开关的串联连接电路中，并根据中断信号断开；中断信号启用/禁用装置，用于启用或禁用该中断信号；控制装置，用于控制中断信号启用/禁用装置并递送用于单独断开每个开关的控制信号；以及监视装置，用于监视在开关的串联连接电路的输出侧检测到的供应给驱动电路的电压，该监视装置具有如下功能：如果响应于控制信号从该控制装置向该中断信号启用/禁用装置的递送，而将供应给驱动电路的电压检测为正常值，则判断为根据该控制信号断开的开关处于短路故障状态。
技术方案2的本发明的电力转换设备的保护电路，根据基于电力转换设备的异常而产生的中断信号，中断对构成电力转换设备的半导体开关元件的驱动电路的供电，该保护电路包括：多个串联连接的开关，设置在向驱动电路供电的线路中的开关的串联连接电路中，并根据中断信号断开；中断信号启用/禁用装置，用于启用或禁用这些开关中的一个开关的中断信号；控制装置，用于控制中断信号启用/禁用装置并递送用于将这些开关中的一个开关断开的控制信号；电阻器，连接至接地与开关的串联连接电路中的串联连接的开关之间的连接点；电阻器和电容器的并联连接电路，连接至接地与开关的串联连接电路的输出侧；以及监视装置，用于监视在开关的串联连接电路的输出侧检测到的供应给驱动电路的电压，该监视装置具有如下两个功能：如果响应于处于接通状态的中断信号而将供应给驱动电路的电压检测为正常值，且中断信号启用/禁用装置被控制装置禁用，则判断为该开关处于短路故障状态，以及当检测到中断信号从接通状态断开时，如果供应给驱动电路的电压以比开关的正常状况下的衰减率快的衰减率下降，则判断为该一个开关以外的开关处于短路故障状态。
技术方案3的本发明的电力转换设备的保护电路是如技术方案1或2所述的电力转换设备的保护电路，单个CPU兼具监视装置的功能和控制装置的功能。
技术方案4的本发明的电力转换设备的保护电路是如技术方案1～3中任一项所述的电力转换设备的保护电路，中断信号启用/禁用装置由具有三态输出的缓冲IC构成。
本发明的电力转换设备的保护电路，允许通过中断信号分别检测用于中断驱动电路供电的各开关的短路故障，并减少故障检测用的信号线和连接器端子的数量，从而实现保护电路的结构的简化、成本的降低。
附图说明
图1示出根据本发明的第一实施方式的结构。
图2示出根据本发明的第二实施方式的结构。
图3示出常规保护电路的基本部件的结构。
图4示出专利文献1公开的异常检测及保护电路。
标记说明
10A、10C：控制电路板
11：信号输入端子
121、122：光耦合器
13：CPU
14、15：具有三态输出的缓冲IC
20A、20C：驱动电路板
21、22：开关
R1、R2：电阻器
C：电容器
具体实施方式
下面，参照附图说明根据本发明的电力转换设备的保护电路的优选实施方式。
图1示出根据本发明的第一实施方式的保护电路的基本部件的结构。第一实施方式的保护电路如上述图3(a)那样，构成为电源中断系统的串联连接冗余电路，在电力转换设备异常时中断对诸如IGBT的半导体开关元件的栅极驱动电路的供电。
在图1中，标记10A代表用于通过中断信号控制开关21、22的控制电路板，标记20A与图3(a)一样代表用于供给或者中断对栅极驱动电路的供电的驱动电路板。
标记11代表在电力转换设备异常时接收上述中断信号的信号输入端子，标记121、122代表与开关21、22对应而设的信号绝缘用的光耦合器。标记13代表CPU，输入有来自光耦合器121、122的输出信号和来自开关21、22的串联连接电路的输出信号。
对于上述中断信号，定义与开关21、22断开状态相对应的中断信号的断开状态(供电中断状态)，并定义与开关21、22接通状态相对应的信号的接通状态(供电状态)。
标记14、15代表具有三态输出的缓冲IC，作为中断信号启用/禁用装置，分别设在从光耦合器121的输出侧与开关21之间、以及从光耦合器122的输出侧与开关22之间。各缓冲IC的启用端子接收来自CPU 13的控制信号即启用信号。缓冲IC的启用/禁用(接通/断开)可以根据由CPU 13递送的控制信号控制。
在第一实施方式的电力转换设备的保护电路的操作中，CPU 13以一定周期向具有三态输出的各缓冲IC 14、15的启用端子递送控制信号，该控制信号根据处理程序的操作，强制将缓冲IC 14、15分别禁用。另外，CPU 13每次递送该控制信号时，均由CPU 13从驱动电路板20A内的开关22的输出侧读取供应给栅极驱动电路的电源电压电平。
在开关21、22没有故障，其操作正常的情况下，当一个开关，例如开关21由CPU 13控制经由具有三态输出的缓冲IC接收到信号而断开时，尽管与开关21串联连接的另一个开关22接通，栅极驱动电路供电中断，CPU 13所读取的电源电压电平变成0V电平。但是，如果开关21处于短路故障情况，则即使来自CPU 13的控制信号经由缓冲IC 14将开关21强制断开，也无法进行断开操作，而开关21维持接通状态。此时，由于串联连接的另一个开关22处于接通状态，因此CPU 13读取的电源电压电平变成为例如5V或15V的电平。
在CPU 13将用于使开关21断开的控制信号发给缓冲IC 14时，若从驱动电路板20A取出的电源电压电平是正常值，则可以推定开关21处于短路故障情况。同样，在CPU 13将用于使开关22断开的控制信号发给缓冲IC 15时，若从驱动电路板20A取出的电源电压电平是正常值，则可以推定开关22处于短路故障情况。
在该实施方式中，尽管用于从驱动电路板20A取出至CPU 13的栅极驱动电路的供电电压的信号线只有1条，但可以分别检测开关21、22的短路故障。因此，本发明的保护电路在信号线的数量或连接器端子的数量较少的情况下即可运行，从而实现电路的简化和成本的降低。
接下来，说明根据本发明的第二实施方式。图2表示该第二实施方式的基本部件的结构。第二实施方式的保护电路也与第一实施方式一样，具有电源中断系统的串联连接冗余电路的结构，其在电力转换设备异常时中断对栅极驱动电路的供电。
在图2的控制电路板10C中，在一个光耦合器121与开关21之间仅连接一个具有三态输出的缓冲IC14，而另一个光耦合器122直接连接至开关22。
CPU 13接收来自光耦合器121、122的输出信号和来自开关21、22的串联电路的输出信号。CPU 13向具有三态输出的缓冲IC 14的启用端子递送控制信号，即启用信号。
驱动电路板20C包括设在开关21、22之间的具有电阻值R的电阻器R1，其一端接地。驱动电路板20C还包括设在开关22的输出侧与栅极驱动电路(未图示)之间的、一对并联连接的电阻器R2和电容器C。电阻器R2具有与电阻器R1一样的电阻值R，电阻器R2的一端接地。电容器C具有电容值C，电容器C的一端接地。
接下来，说明第二实施方式的操作。首先，说明检测开关21的短路故障的操作。
CPU13在从信号输入端子11接收到的中断信号为断开状态时，利用处理程序的操作输出控制信号，使具有三态输出的缓冲IC 14变为禁用状态。在中断信号从断开状态变为接通状态后，CPU 13从开关22的输出侧读取栅极驱动电路的电源电压电平。
如果开关21未处于短路故障状况，则开关21处于断开状态。由于栅极驱动电路电源的供电被中断，因此CPU 13所读取的电源电压电平为0V电平。如果开关21处于短路故障状况，则由于另一个开关22变为接通状态，因此CPU 13读取的电源电压电平，例如由于开关21、22都处于接通状态，为5V或15V的电平。
因此，在中断信号从断开状态变为接通状态之后，当从驱动电路板20C取出的电源电压电平是正常电平时，可以推定开关21处于短路故障状态。
接下来，说明对另一个开关22的短路故障的检测。
对于该检测，CPU 13监视在发给信号输入端子11的中断信号从接通状态变为断开状态之后供应给栅极驱动电路的电压的衰减率。
如果开关22未处于短路故障状况，即处于正常状况，则响应于中断信号的转变，开关21、22都断开。由于电阻器R2与电容器C的并联电路连接至栅极驱动电路的输入侧，即开关22的输出侧，因此栅极驱动电路用的电源电压，即电容器C的电压在时间常数R C随着电容器C的放电下降。
如果开关22处于短路故障状况，则开关22保持接通状态，而开关21断开。因此，驱动电路板20C变成具有这样的电路结构：电阻器R1、R2及电容器C的并联电路连接至栅极驱动电路的输入侧，即开关21的输出侧。其结果是，栅极驱动电路的电源电压，即电容器C的电压在时间常数R C/2随着电容器C的放电下降。因此，电源电压下降得比开关22的正常状态快。
所以，根据由CPU 13读取的电源电压的衰减率比正常状态快，可以推定开关22的短路故障状态。
在上述的各实施方式中，CPU具有如下两个功能：作为用于控制具有三态输出的缓冲IC 14、15的控制装置的功能；以及作为用于基于由CPU 13从驱动电路板20A或者20C读取的电源电压来监视开关21、22的短路故障状态的监视装置的功能。但这些功能也可由分开设置的控制电路和监视电路进行。
本发明的保护电路不仅可应用于逆变器，而且可应用于各种各样的电力转换设备，而对电力转换设备的结构或开关元件的种类等没有任何限制。

Claims (4)

1.一种电力转换设备的保护电路，所述保护电路根据基于电力转换设备的异常而产生的中断信号，中断向构成电力转换设备的半导体开关元件的驱动电路供电，所述保护电路包括：
多个串联连接的开关，设置在向驱动电路供电的线路中的开关的串联连接电路中，并根据中断信号断开；
中断信号启用/禁用装置，用于启用或禁用所述中断信号；
控制装置，用于强制将所述中断信号启用/禁用装置分别禁用并递送用于单独断开每个开关的控制信号；以及
监视装置，用于监视在所述开关的串联连接电路的输出侧检测到的供应给所述驱动电路的电压，所述监视装置具有如下功能：如果响应于控制信号从所述控制装置向所述中断信号启用/禁用装置的递送，而将供应给所述驱动电路的电压检测为正常值，则判断为根据所述控制信号断开的开关处于短路故障状态。
2.一种电力转换设备的保护电路，所述保护电路根据基于电力转换设备的异常而产生的中断信号，中断向构成电力转换设备的半导体开关元件的驱动电路供电，所述保护电路包括：
多个串联连接的开关，设置在向驱动电路供电的线路中的开关的串联连接电路中，并根据中断信号断开；
中断信号启用/禁用装置，用于启用或禁用所述开关中的一个开关的所述中断信号；
控制装置，用于强制使所述中断信号启用/禁用装置变为禁用状态并递送用于将所述开关中的一个开关断开的控制信号；
电阻器，连接至接地与所述开关的串联连接电路中的串联连接的开关之间的连接点；
电阻器和电容器的并联连接电路，连接至接地与开关的串联连接电路的输出侧；以及
监视装置，用于监视在所述开关的串联连接电路的所述输出侧检测到的供应给所述驱动电路的电压，所述监视装置具有如下两个功能：
如果响应于处于接通状态的中断信号而将供应给所述驱动电路的电压检测为正常值，且所述中断信号启用/禁用装置被所述控制装置禁用，则判断为所述开关处于短路故障状态，以及
当检测到所述中断信号从接通状态断开时，如果供应给所述驱动电路的电压以比所述开关的正常情况下的衰减率快的衰减率下降，则判断为所述一个开关以外的开关处于短路故障状态。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换设备的保护电路，其特征在于，
单个CPU兼具所述监视装置的功能和所述控制装置的功能。
4.根据权利要求1或2所述的电力转换设备的保护电路，其特征在于，
所述中断信号启用/禁用装置由具有三态输出的缓冲IC构成。
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