CN104283194A - 具有故障保护功能的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电路，其包括开关模块、控制模块和驱动模块。该驱动模块电性耦合在该开关模块和该控制模块之间，该驱动模块包括正常驱动单元和故障保护单元。该正常驱动单元用于根据该控制模块提供的第一指令信号驱动该开关模块的通断。当该控制模块接收到故障信号后，在故障保护时间内，该故障保护单元用于根据该控制模块提供的第二指令信号将该驱动信号从驱动值降低到保护值。该电路可实现故障时安全关断该开关模块。
Description
技术领域
本发明涉及一种电路，特别涉及一种用于控制电子开关在发生故障时安全关断的电路。
背景技术
很多情况下，电能变换电路中常采用变换器（converter）来将电源输入的电能转换成负载所需的电能。如逆变器（inverter）可将直流电转换成交流电以提供给交流负载。整流器（rectifier）可将交流电转换成直流电以提供给直流负载。直流/直流变换器（DC/DC converter）可将一种直流电转换成另一种直流电。一般地，变换器通常包括若干开关模块，通过适当的控制系统来控制上述开关模块的通断，即可实现电能转换过程。
对于一些高电压要求电能变换系统来说，例如高电压水泵、高电压压缩机等设备，所应用的变换器上的每一开关支路将流过较高电压水平的电流。典型地，该开关支路中的电子开关为晶体管组成，例如绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。若每个开关支路仅用一个电子开关，该一个IGBT可能不能承受流过其上的电压，为了避免损坏器件，通常在该开关支路中至少串联连接两个IGBT，该至少两个IGBT需实现同步控制，这样可以将电压平均分担至每一个串联的IGBT上，从而不会损坏每一个器件。
当发生故障（如短路故障）需要关断该开关支路的一个IGBT或至少两个IGBT时，往往过大的电流变化会在每个IGBT两端产生过高的电压应力而损毁该器件。当短路故障发生后，在同步关断该至少两个串联的IGBT时会产生严重的电压不均衡现象，导致其中至少一个IGBT将承受过大的关断电压，进而损毁该器件。考虑到IGBT器件的产品特性及控制系统的控制精确性，目前现有的短路保护方法通常应用价格昂贵及设计复杂集成电路来实现。
所以，需要提供一种新的成本低且设计简单的电路来解决上述问题。
发明内容
现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。
本发明的一个方面在于提供一种电路。该电路包括：
开关模块；
控制模块；及
驱动模块，电性耦合在该开关模块和该控制模块之间，该驱动模块包括：
正常驱动单元，用于根据该控制模块提供的第一指令信号驱动该开关模块的通断；及
故障保护单元，当该控制模块接收到故障信号后，在故障保护时间内，该故障保护单元用于根据该控制模块提供的第二指令信号将该驱动信号从驱动值降低到保护值。
本发明的另一方面在于提供一种电能变换电路。该电路包括：
控制模块；
变换器，用于将第一电能转换成第二电能，该变换器包括：
开关模块；及
驱动模块，电性耦合至该开关模块，该驱动模块包括：
正常驱动单元，用于根据该控制模块提供的第一指令信号驱动该开关模块的通断；及
故障保护单元，当该控制模块接收到故障信号后，在故障保护时间内，该故障保护单元用于根据该控制模块提供的第二指令信号将该驱动信号从驱动值降低到保护值。
本发明的再一方面在于提供另一种电路。该电路包括：
开关模块；
控制模块；及
驱动模块，电性耦合在该开关模块和该控制模块之间，该驱动模块用于：
根据该控制模块提供的第一指令信号驱动该开关模块的通断；
当该控制模块接收到故障信号后，在故障保护时间内，该驱动模块用于根据该控制模块提供的第二指令信号将该驱动信号从驱动值降低到保护值；及
在该故障保护时间后，该驱动模块用于提供阻断值的驱动信号给该开关模块以关断该开关模块。
相较于现有技术，本发明具有故障保护功能的电路，通过在用于为开关模块提供驱动信号的驱动模块中增加上述故障保护单元，如当短路故障发生时，该故障保护单元根据控制模块提供的第二指令信号可将该驱动信号从驱动值降低到预设的保护值，从而流经开关模块的电流将从短路电流值降低到安全电流值。当电流降低后再关断开关模块可减小开关模块两端的电压应力，从而避免因过大的短路电流变化造成器件的损毁，并且该故障保护单元结构简单、成本低廉。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为一种电能变换电路的示意框图。
图2为图1电能变换电路中正常驱动单元与开关模块的电路图。
图3为本发明揭示的图1中所示驱动模块的较佳实施方式的电路示意图。
图4为控制图3所示的驱动模块的控制信号及驱动信号波形示意图。
图5为本发明揭示的图1中所示驱动模块的另一较佳实施方式的电路示意图。
图6为控制图5所示的驱动模块的控制信号及驱动信波形号示意图。
图7为本发明揭示的图1中所示驱动模块的另一较佳实施方式的电路示意图。
图8为控制图7所示的驱动模块的控制信号及驱动信号波形示意图。
图9为本发明揭示的图1中所示驱动模块的另一较佳实施方式的电路示意图。
图10为控制图9所示的驱动模块的控制信号及驱动信号波形示意图。
图11为本发明揭示的一个开关支路中串联连接的6个开关模块的电路示意图。
图12为短路故障下不启动故障保护单元时同步关断图11所示开关支路中6个电子开关的电压及电流波形示意图。
图13为短路故障下启动故障保护单元时同步关断图11所示开关支路中6个电子开关的电压及电流波形示意图。
图14为本发明进一步应用于图1电能变换电路中的电压均衡模块的较佳实施方式的电路图。
图15为将图14所示的电压均衡模块用于同步关断如图11所示的6个电子开关的电压及电流波形示意图。
具体实施方式
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。
请参考图1，为一种电能变换电路10的示意图。作为一个例子，该电能变换电路10包括电源11、变换器13、负载15及控制模块17。该控制模块17输出控制命令18来控制该变换器13工作，以将该电源11产生的第一电能转换为该负载15所需的第二电能。该电能变换电路10还包括未示出的元件，如故障检测单元，这里为方便说明本发明，仅给出了电能变换电路10简化了的示意图。
在一些实施方式中，能够提供交流电的交流功率装置如交流电网和发电装置（如风机）可用作该电源11。在一些实施方式中，能够接收直流电的直流功率装置如直流电机、蓄电池和超级电容可用作该负载15。该电能变换电路10可作为整流器将由该交流电源11提供的交流电整流为直流电输出给该直流负载15。
在一些实施方式中，能够提供直流电的直流功率装置如太阳能电池板、蓄电池和超级电容可用作该电源11。在一些实施方式中，能够接收交流电的交流功率装置如交流电机和交流电网可用作该负载15。该电能变换电路10可作为逆变器将由该直流电源11提供的直流电逆变为交流电输出给该交流负载15。
在一些实施方式中，能够提供直流电的直流功率装置如太阳能电池板、蓄电池和超级电容可用作该电源11。在一些实施方式中，能够接收直流电的直流功率装置如直流电机可用作该负载15。该电能变换电路10可作为直流/直流变换器将由该直流电源11提供的一种直流电变换为另一种直流电输出给该直流负载15。
在一些实施方式中，能够提供交流电的交流功率装置如交流电网和发电装置（如风机）可用作该电源11。在一些实施方式中，能够接收交流电的交流功率装置可用作该负载15。该电能变换电路10可作为交流/交流变换器将由该交流电源11提供的一种交流电变换为另一种交流电输出给该交流负载15。
在一些实施方式中，该控制模块17可以包括任何合适的可编程电路或者装置，包括数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）以及专用集成电路（ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC）等。该控制模块17可以硬件、软件或软硬件结合的形式实施。
该变换器13包括至少一个开关模块25和与该开关模块25电性耦合的一个驱动模块27。其他实施方式中，该开关模块25和该驱动模块27也可以应用于其他需要开关模块控制的电路中，例如荧光灯镇流电路等。
当该电能变换电路10发生故障（如短路故障）时，需关断该开关模块25以防止该开关模块25被大电流损毁。为防止该开关模块25被大电流变化产生的高关断电压损毁，该驱动模块27可用于提供驱动信号给该开关模块25以安全关断该开关模块25。
当该电能变换电路10正常运行时，该控制模块17用于提供第一指令信号给该驱动模块27，该驱动模块27输出驱动信号24以驱动该开关模块25正常工作。根据该第一指令信号，该开关模块25可正常开通和关断。
当该电能变换电路10发生故障（如短路故障）时，短路电流流经该开关模块25，该控制模块17用于提供第二指令信号给该驱动模块27。当该控制模块17接收到故障信号16时，在预设的一段故障保护时间内，该驱动模块27将该驱动信号24从开通状态的驱动值降低到预设的保护值。从而，流经该开关模块25的电流可根据该驱动信号24的降低而降低到安全电流值（该安全电流值小于该短路电流）。
在该故障保护时间后，该驱动模块27提供阻断值的驱动信号24给该开关模块25以在该安全电流值下关断该开关模块25。在关断的过程中，流经该开关模块25的电流由该安全电流值降到零的电流变化率相较于由短路电流直接降到零的变化率要小，因此，在该开关模块25上承受的关断电压较小，从而可安全关断该开关模块25。
更具体的，如图1所示，该驱动模块27包括正常驱动单元271和故障保护单元272。该正常驱动单元271用于根据该第一指令信号提供驱动值的驱动信号24以开通该开关模块25或提供阻断值的驱动信号24以关断该开关模块25。该故障保护单元272用于根据该第二指令信号将该驱动值的驱动信号24降低到该保护值。
请参照图2，为图1电能变换电路中正常驱动单元271与开关模块25的一种实施方式的电路图。在该实施方式中，该开关模块25包括IGBT电子开关Q1，其他实施方式中，该电子开关Q1的类型可以根据实际需要进行调整，例如还可选用电力晶体管（Giant Transistor，GTR）等，不拘泥于本实施方式给出的例子。
在该实施方式中，该正常驱动单元271包括驱动该电子开关Q1导通的导通支路及驱动该电子开关Q1关断的关断支路。本实施方式中，该导通支路包括电子开关Son和导通电阻Rgon，该关断支路包括电子开关Soff和关断电阻Rgoff。根据该控制模块17提供的第一指令信号181控制电子开关Son及Soff的通断可输出相应的驱动信号24。在其他实施方式中，该正常驱动单元271可以根据实际需要进行调整，不拘泥与本实施方式给出的例子。
典型地，电子开关Son及Soff的控制为互补控制。当该第一指令信号181为导通值时，该电子开关Son导通，该电子开关Soff关断，该正常驱动单元271输出驱动值的驱动信号24给该电子开关Q1以开通该电子开关Q1。当该第一指令信号181为关断值时，该电子开关Son关断，该电子开关Soff导通，该正常驱动单元271输出阻断值的驱动信号24给该电子开关Q1以关断该电子开关Q1。
该实施方式中，该关断支路包括取反元件277，其电性耦合到该电子开关Soff的驱动端上。通过该取反元件277的取反作用，当该第一指令信号181为导通值时，该电子开关Soff接收到关断值的指令信号。当该第一指令信号181为关断值时，该电子开关Soff接收到导通值的指令信号。
典型地，当该电子开关Q1为电压驱动型电子开关如IGBT时，该驱动信号24为电压信号。当该第一指令信号181为导通值时，该电子开关Son导通，该驱动信号24为驱动电压值Vcc（如15V），当该第一指令信号181为关断值时，该电子开关Soff导通，该驱动信号24为阻断电压值-Vcc（如-15V）。其他实施方式中，该驱动信号24的类型可以根据该电子开关Q1的实际需要进行调整，不拘泥于本实施方式给出的例子。
请参照图3，为本发明揭示的图1中所示驱动模块27的较佳实施方式的电路示意图。该实施方式中，该正常驱动单元271可采用如图2所示的电路，其他实施方式中，该正常驱动单元271也可采用其他电路结构的驱动电路。
该实施方式中，该故障保护单元272包括稳压元件281，其电性耦合至该开关模块25的门极23（驱动端），用于将该驱动信号24的电压从驱动值钳位到保护值。在一些实施方式中，该稳压元件281可包括第一稳压二极管W1。该实施方式中，该第一稳压二极管W1可直接将该驱动信号24的电压从驱动值钳位到保护值。该保护值即为该第一稳压二极管W1的稳压降。
该故障保护单元272还包括第一开关元件S1，其电性耦合至该稳压元件281，用于根据该控制模块17提供的该第二开关信号183触发该稳压元件281工作于稳压状态。
该实施方式中，该故障保护单元272还包括二极管D，其电性耦合在该稳压元件281和该第一开关元件S1之间。该二极管D的阳极和阴极分别电性耦合至该稳压元件281和该第一开关元件S1，以用于提供单向电流路径。
该实施方式中，该故障保护单元272还包括电阻R，其电性耦合在该稳压元件281和该第一开关元件S1之间，起到限流作用，以防止过大电流流经该故障保护单元272。
参照图4，为控制图3所示的驱动模块27的控制信号及驱动信号波形示意图。该电能变换电路10发生故障（如短路故障）时，该控制模块17根据该故障信号16提供该第一指令信号181和该第二指令信号183。该驱动模块27根据该控制模块17提供的该第一指令信号181和该第二指令信号183输出驱动信号24以安全关断该开关模块25。
其中t0时刻为短路故障发生时刻，t*1时刻为该故障信号触发时刻，t1时刻为故障保护开始时刻，t2时刻为安全关断该开关模块25的时刻。从短路发生时刻t0到安全关断时刻t2这段时间内，该开关模块25可允许短路电流流过。该时间段（t2-t0）可根据开关模块25的开关特性参数进行设定（如10us）。从短路发生时刻t0到故障保护开始时刻t1这段时间内，通过该控制模块17确定该电能变换电路发生短路故障。该时间段（t1-t0）可通过控制模块17的程序进行设定（如4us）。故障保护开始时刻t1到安全关断时刻t2这段时间为故障保护时间，流经该开关模块25的短路电流可降低到安全电流值并达到稳定状态。该故障保护时间（t2-t1）可通过控制模块17的程序进行设定（如6us）。
t0到t2时间段内，该控制模块17用于提供导通值403的第一指令信号181以控制该开关模块25工作于开通状态。
t*1时刻，故障信号16可由该电能变换电路10中的电流检测单元（未示出）产生，如一个上升沿电压信号401。t0到t1时间段内，该控制模块17用于接收该故障信号16并确认该电能变换电路10发生短路故障，例如，在控制模块17中设置防止误触发程序来进行确认，即该防止误触发程序在故障信号16触发的t*1时刻至t1时刻之间的时间段内判断该电能变换电路10是否确实发生短路故障。此时，该开关模块25仍在该导通值403的第一指令信号181的控制下处于开通状态，此时该驱动信号24为驱动值407。若判断确实发生短路故障时，进行后续的故障保护控制，若判断为未发生短路故障，则不进行后续的故障保护控制，其中该防止误触发程序可通过适当的检测程序或检测电路来实现，这里不再具体说明。
当若判断确实发生短路故障时，在t1到t2时间段内，该控制模块17用于提供导通值405的第二指令信号183给该第一开关器件S1以使该第一开关器件S1处于导通状态。该导通的第一开关器件S1可触发该第一稳压二极管W1工作于钳位状态。该驱动信号24被钳位到该保护值409，该实施方式中，该保护值409为该第一稳压二极管W1的稳压降（如9V）。
因此，在该故障保护时间内，根据该控制模块17提供的该第二指令信号183，该故障保护单元272可将该驱动信号24由驱动值407降低到保护值409。相对应地，根据该驱动信号24的降低，流经该开关模块25的短路电流也相应降低。当该短路电流降低到安全电流值后且持续到故障保护时间结束时刻t2，该控制模块17提供关断值411的第一指令信号181以关断该开关模块25，此时该驱动信号24为阻断值415。
请参照图5，为本发明揭示的图1所示驱动模块的另一较佳实施方式的电路示意图。类似地，该驱动模块27包括如图3所示的该正常驱动单元271和该故障保护单元272。因此，在这里不再对该正常驱动单元271和该故障保护单元272进行赘述。
与图3所示实施方式不同之处在于，该控制模块17提供指令信号185给该驱动模块27，该指令信号185包括低频分量信号和高频分量信号。该低频分量信号用作该第一指令信号181，该高频分量信号用作该第二指令信号183。为得到该第一指令信号181和该第二指令信号183，该驱动模块27还包括低通滤波器290和高通滤波器292。该低通滤波器290电性耦合至该正常驱动单元271，该高通滤波器292电性耦合至该故障驱动单元272。
该低通滤波器290接收该指令信号185并输出低频指令信号即该第一指令信号181提供给该正常驱动单元290。该高通滤波器292接收该指令信号185并输出高频指令信号即该第二指令信号182提供给该故障保护单元272。
请参照图6，为控制图5所示的驱动模块27的控制信号及驱动信号波形示意图。如图6所示，该控制模块17输出指令信号185给该驱动模块27。该控制模块17至少根据故障信号16产生该指令信号185。
其中t0时刻为短路故障发生时刻，t*1时刻为该故障信号触发时刻，t1时刻为故障保护开始时刻，t2时刻为安全关断该开关模块25的时刻。从短路发生时刻t0到安全关断时刻t2这段时间内，该开关模块25可允许短路电流流过。该时间段（t2-t0）可根据开关模块25的开关特性参数进行设定（如10us）。从短路发生时刻t0到故障保护开始时刻t1这段时间内，通过该控制模块17确定该电能变换电路发生短路故障。该时间段（t1-t0）可通过控制模块17的程序进行设定（如4us）。故障保护开始时刻t1到安全关断时刻t2这段时间为故障保护时间，流经该开关模块25的短路电流可降低到安全电流值并达到稳定状态。该故障保护时间（t2-t1）可通过控制模块17的程序进行设定（如6us）。
t0到t2时间段内，该指令信号185包括低频驱动指令信号603，t1到t2时间段内，该指令信号185还包括高频保护指令信号605。
该指令信号185送入如图5所示的该低通滤波器290和该高通滤波器292后可分别得到一个低频指令信号181（第一指令信号）和一个高频指令信号183（第二指令信号）。该驱动模块27根据该该低频指令信号181和该高频指令信号183输出驱动信号24以安全关断该开关模块25。t0到t2时间段内，该控制模块17用于提供导通值604的低频指令信号181以控制该开关模块25工作于开通状态。
t*1时刻，该故障信号601可由该电能变换电路10中的电流检测单元（未示出）产生，如一个上升沿电压信号601。t0到t1时间段内，该控制模块17用于接收该故障信号16并确认该电能变换电路10发生短路故障，例如，在控制模块17中设置防止误触发程序来进行确认，即该防止误触发程序在故障信号16触发的t*1时刻至t1时刻之间的时间段内判断该电能变换电路10是否确实发生短路故障。此时，该开关模块25仍在该导通值604的低频指令信号181的控制下处于开通状态，此时该驱动信号24为驱动值607。若判断确实发生短路故障时，进行后续的故障保护控制，若判断为未发生短路故障，则不进行后续的故障保护控制。
当若判断确实发生短路故障时，在t1到t2时间段内（故障保护时间内），该高频开关值606的高频指令信号181提供给该第一开关器件S1以时该第一开关器件S1处于导通状态。该导通的第一开关器件S1可触发该第一稳压二极管W1工作于钳位状态。该驱动信号24被钳位到该保护值609，该实施方式中，该保护值609为该第一稳压二极管W1的稳压降。
因此，在该故障保护时间内，根据该高频指令信号183，该故障保护单元272可将该驱动信号24由驱动值607降低到保护值609。相对应地，根据该驱动信号24的降低，流经该开关模块25的短路电流也相应降低。当该短路电流降低到安全电流值后且持续到故障保护时间结束时刻t2，该关断值611的低频指令信号181提供给该开关模块25以关断该开关模块25，此时该驱动信号24为阻断值615。
请参照图7，为本发明揭示的图1中所示驱动模块27的另一较佳实施方式的电路示意图。该实施方式与图3相比的不同之处在于，该稳压元件281还包括多个与该第一稳压二极管W1相电性串联耦合的多个第二稳压二极管。每个第二稳压二极管的两端分别并联一个第二开关器件。该多个第二开关器件接收该控制模块17提供的多个第三指令信号以开通和关断该多个第二开关器件。
作为一个例子，如图7所示，该稳压元件281包括两个第二稳压二极管W2a、W2b。该第二稳压二极管W2a两端并联一个第二开关器件SW2a，该第二稳压二极管W2b两端并联一个第二开关器件SW2b。该第二开关器件SW2a根据该控制模块17提供的该第三指令信号184而开通或关断。该第二开关器件SW2b根据该控制模块17提供的该第三指令信号188而开通或关断。
当发生短路故障时，该故障保护单元272接收到该导通值的第二指令信号183，该稳压元件281被触发以工作在稳压状态。当该稳压元件281根据该控制模块17提供的该两个第三指令信号184、188依次导通该两个第二开关器件SW2a、SW2b时，对应的第二稳压二极管W2a、W2b被短路。根据不同数量的稳压二极管的钳位作用，该驱动信号14的电压可从驱动值逐级降低到保护值。
请参照图8，为控制图7所示的驱动模块27的控制信号及驱动信号波形示意图。该电能变换电路10发生短路故障时，该控制模块17根据该故障信号16提供该第一指令信号181，该第二指令信号183和该两个第三指令信号184、188。该驱动模块27根据该控制模块17提供的该第一指令信号181，该第二指令信号183和该两个第三指令信号184、188输出驱动信号24以安全关断该开关模块25。
其中t0时刻为短路故障发生时刻，t*1时刻为该故障信号触发时刻，t1时刻为故障保护开始时刻，t2时刻为安全关断该开关模块25的时刻。从短路发生时刻t0到安全关断时刻t2这段时间内，该开关模块25可允许短路电流流过。该时间段（t2-t0）可根据开关模块25的开关特性参数进行设定（如10us）。从短路发生时刻t0到故障保护开始时刻t1这段时间内，通过该控制模块17确定该电能变换电路发生短路故障。该时间段（t1-t0）可通过控制模块17的程序进行设定（如4us）。故障保护开始时刻t1到安全关断时刻t2这段时间为故障保护时间，流经该开关模块25的短路电流可降低到安全电流值并达到稳定状态。该故障保护时间（t2-t1）可通过控制模块17的程序进行设定（如6us）。
t0到t2时间段内，该控制模块17用于提供导通值803的第一指令信号181以控制该开关模块25工作于开通状态。
t*1时刻，故障信号16可由该电能变换电路10中的电流检测单元（未示出）产生，如一个上升沿电压信号801。t0到t1时间段内，该控制模块17用于接收该故障信号16并确认该电能变换电路10发生短路故障，例如，在控制模块17中设置防止误触发程序来进行确认，即该防止误触发程序在故障信号16触发的t*1时刻至t1时刻之间的时间段内判断该电能变换电路10是否确实发生短路故障。此时，该开关模块25仍在该控制模块17产生的为导通值803的第一指令信号181的控制下处于开通状态，此时该驱动信号24为驱动值807。若判断确实发生短路故障时，进行后续的故障保护控制，若判断为未发生短路故障，则不进行后续的故障保护控制。
当若判断确实发生短路故障时，在t1到t2时间段内（故障保护时间内），该控制模块17用于提供导通值805的第二指令信号183给该第一开关器件S1以使该第一开关器件S1处于导通状态。该导通的S1可触发该第一稳压二极管W1和该第二稳压二极管W2a、W2b工作于钳位状态（稳压状态）。t1到ta时间段内，该驱动信号24被钳位到保护值806，该实施方式中，该保护值806为该第一稳压二极管W1、该第二稳压二极管W2a、W2b的稳压降之和。
ta到t2时间段内，该控制模块17用于提供导通值802的第三指令信号184给该第二开关器件SW2a以将该第二稳压二极管W2a短路。ta到tb时间段内，该驱动信号24被钳位到保护值808，该实施方式中，该保护值808为该第一稳压二极管W1、该第二稳压二极管W2b的稳压降之和。
tb到t2时间段内，该控制模块17用于提供导通值804的第三指令信号188给该第二开关器件SW2b以将该第二稳压二极管W2b短路。tb到t2时间段内，该驱动信号24被钳位到该保护值809，该实施方式中，该保护值809为该第一稳压二极管W1的稳压降。
因此，在该故障保护时间内，根据该控制模块17提供该第一指令信号181，该第二指令信号183和该两个第三指令信号184、188。该故障保护单元272可将该驱动信号24由驱动值807逐级由806、808降低到保护值809。相对应地，根据该驱动信号24的逐级降低，流经该开关模块25的短路电流也相应逐级降低。该实施方式，可防止该驱动信号24从驱动值807降低到该保护值809时，短路电流产生过大的变化而在该开关模块25两端产生过高电压而损毁该开关模块25。当该短路电流降低到安全电流值后且持续到故障保护时间结束时刻t2，该控制模块17提供关断值811的第一指令信号181以关断该开关模块25，此时该驱动信号24为阻断值815。
图9为本发明揭示的图1中所示驱动模块27的另一较佳实施方式的电路示意图。该实施方式中，该正常驱动单元271可采用如图2所示的电路，其他实施方式中，该正常驱动单元271也可采用其他电路结构的驱动电路。
该实施方式中，该故障保护单元272包括可变阻抗元件282，其电性耦合至该开关模块25的门极23（驱动端）和该正常驱动单元271之间，用于将该驱动信号24的电压从驱动值降低到保护值。在一些实施方式中，该可变阻抗元件282可包括电阻R1和可控开关S2。该可控开关S2并联电性耦合在该电阻R1的两端。其他实施方式中，该电阻R1可由多个串联的电阻组成。
该实施方式中，当故障发生后，该可控开关S2在该第二指令信号183的作用下被关断，该电阻R1连接到电路中并起到分压作用，以将该驱动信号24的电压从驱动值降低到保护值。
在其他实施方式中，该可变阻抗元件282还可为由指令信号控制的导通电阻可变的开关器件或由指令信号控制的阻抗可变的芯片。
参照图10，为控制图9所示的驱动模块27的控制信号及驱动信号波形示意图。该电能变换电路10发生故障（如短路故障）时，该控制模块17根据该故障信号16提供该第一指令信号181和该第二指令信号183。该驱动模块27根据该控制模块17提供的该第一指令信号181和该第二指令信号183输出驱动信号24以安全关断该开关模块25。
其中t0时刻为短路故障发生时刻，t*1时刻为该故障信号触发时刻，t1时刻为故障保护开始时刻，t2时刻为安全关断该开关模块25的时刻。从短路发生时刻t0到安全关断时刻t2这段时间内，该开关模块25可允许短路电流流过。该时间段（t2-t0）可根据开关模块25的开关特性参数进行设定（如10us）。从短路发生时刻t0到故障保护开始时刻t1这段时间内，通过该控制模块17确定该电能变换电路发生短路故障。该时间段（t1-t0）可通过控制模块17的程序进行设定（如4us）。故障保护开始时刻t1到安全关断时刻t2这段时间为故障保护时间，流经该开关模块25的短路电流可降低到安全电流值并达到稳定状态。该故障保护时间（t2-t1）可通过控制模块17的程序进行设定（如6us）。
t0到t2时间段内，该控制模块17用于提供导通值1003的第一指令信号181以控制该开关模块25工作于开通状态。
t*1时刻，故障信号16可由该电能变换电路10中的电流检测单元（未示出）产生，如一个上升沿电压信号1001。t0到t1时间段内，该控制模块17用于接收该故障信号16并确认该电能变换电路10发生短路故障，例如，在控制模块17中设置防止误触发程序来进行确认，即该防止误触发程序在故障信号16触发的t*1时刻至t1时刻之间的时间段内判断该电能变换电路10是否确实发生短路故障。此时，该开关模块25仍在该导通值1003的第一指令信号181的控制下处于开通状态，该可控开关S2在导通值1004的第二指令信号183的控制下处于开通状态，该电阻R1被短路，该可变阻抗元件282的阻抗为0，此时该驱动信号24为驱动值1007。若判断确实发生短路故障时，进行后续的故障保护控制，若判断为未发生短路故障，则不进行后续的故障保护控制。
当若判断确实发生短路故障时，在t1到t2时间段内，该控制模块17用于提供关断值1005的第二指令信号183给该可控开关S2以使该可控开关S2处于关断状态。该关断的可控开关S2可使该电阻R1连入电路中而起到分压作用。由于该电阻R1分得部分电压，该驱动信号24被降低到该保护值1009。
因此，在该故障保护时间内，根据该控制模块17提供的该第二指令信号183，该故障保护单元272可将该驱动信号24由驱动值1007低到保护值1009。相对应地，根据该驱动信号24的降低，流经该开关模块25的短路电流也相应降低。当该短路电流降低到安全电流值后且持续到故障保护时间结束时刻t2，该控制模块17提供关断值1011的第一指令信号181以关断该开关模块25，此时该驱动信号24为阻断值1015。
请参照图11，为本发明揭示的一个开关支路中串联连接的6个开关模块的电路示意图。当电能变换电路10变换的电能为高电压和/或高功率时，每个开关模块需要承受该高电压，为防止该开关模块被该高电压损毁，每个开关支路需串联多个该开关模块。例如6个串联连接的IGBT连接在同一开关支路中。如此，该串联连接的电子开关可平均分担该高电压，即每一个电子开关将承受较低的电压，从而不会损坏每一个电子开关。该串联连接的电子开关的数量及类型均可根据实际需要进行调整，例如若该高电压很高时，可应用更多数量的串联连接电子开关。
另外，对于每个开关模块95来说，其上的串联连接的电子开关需要满足被同步控制通断。每个开关模块95电性耦合一个驱动模块97，图11中所示的每个驱动模块97包括如图1所示的该正常驱动单元271和该故障保护单元272。该控制模块17至少根据故障信号16同步输出指令信号给各个驱动模块97以同步控制每个开关模块95的开通与关断。
对于如图11所示的电路，在短路故障条件下，在驱动模块97的故障保护单元272启动和不启动两种情况下进行了实验并得到了6个串联开关模块的电压、电流波形图，分别如图12、13所示。
请参照图12，为短路故障下不启动故障保护单元时同步关断图11所示开关支路中6个电子开关的电压及电流波形示意图。如图12所示，三组波形图分别为同步驱动该开关支路中6个串联开关模块时其中一个开关模块的驱动电压波形Ug、6个串联开关模块两端的电压波形Uce和该开关支路中的短路电流Ishort。其中t0时刻为短路故障发生时刻，在t0到t1时间段内，确定有短路故障发生，t*2到t2时间段为关断该开关支路时的在每个开关模块95两端产生关断电压的动态响应时间。
t1到t2时间段内，该故障保护单元272不启动，该驱动信号Ug仍为驱动值，该短路电流Ishort不变化。t*2到t2时间段内，6个串联的开关模块95均被关断，如图所示，由于短路电流由短路值降低到0，每个开关模块95两端产生较大的关断电压Uce。
请参照图13，为短路故障下启动故障保护单元时同步关断图11所示开关支路中6个电子开关的电压及电流波形示意图。与图11不同之处在于，t1到t2时间段内，该故障保护单元272启动，该驱动信号Ug由驱动值降低为保护值，该短路电流Ishort变小到安全电流值。t*2到t2时间段内，6个串联的开关模块95均被关断，如图所示，由于短路电流由安全电流值降低到0，每个开关模块95两端产生关断电压Uce与图11相比有所减小。
虽然关断时每个开关模块95两端产生关断电压Uce有所减小能够满足安全关断的要求。但从图12和图13所示的关断电压波形可以看出，在t*2到t2时间段内，同步关断该6个开关模块时在每个开关模块95两端的电压可能存在电压不平衡问题，因此，本发明进一步揭示了一种用于控制电压平衡的电路。
请参照图14，为本发明进一步应用于图1电能变换电路中的电压均衡模块273的较佳实施方式的电路图。如图14所示，每个开关模块25与驱动模块27电性耦合，这里仅示意出一个开关模块25及对应的电路，其他相邻的开关模块25及对应的电路与图示12相似，这里不再赘述。该开关模块25还与一个对应的电压平衡模块273相耦合。当电路发生短路故障时，为安全地同步关断每个开关模块25，具体实施方案如下所述。
首先，该驱动模块25接收到该控制模块17提供的第二指令信号183以降低该开关模块25的驱动信号24，从而该开关支路中的短路电流可降低到安全电流值。然后，在关断该开关模块25的过程中，其中两端电压较大的开关模块25用于通过单向导通元件向该开关模块25的门极（驱动端）注入驱动电流，当注入驱动电流后，对应的开关模块25可导通工作在线性区域，因此，该开关模块25两端的电压因该开关模块25的导通而降低。最终该多个串联连接的开关模块25可实现动态的电压平衡。
作为一个例子，该电压均衡模块273包括第一电阻301、第一电容302、第二电阻303、第二电容304和二极管305。每个第一电阻301、第一电容302、第二电阻303、第二电容304的第一端和该二极管305阳极电性耦合在一节点O。每个第一电阻301和第一电容302的第二端电性耦合至该开关模块25的集电极（第一端）。每个第二电阻303和第二电容304的第二端电性耦合至该开关模块25的发射极（第二端）。该二极管305的阴极电性耦合至该开关模块的门极23（驱动端）。该实施方式中，该第一电容302的容抗大于第二电容304的容抗。
考虑到开关器件的产品特性及控制系统的控制精确性，当同步控制该至少串联连接的两个开关模块25关断时，会出现其中一个开关模块25相对于其他开关模块25提早关断的现象，此时，提早关断的开关模块25两端电压较大而造成电压不均衡问题。当短路故障下，同步关断该至少串联连接的两个开关模块25时，两端电压较大的开关模块25对应的电压均衡模块273可将开关支路中的电流通过该二极管305注入到该开关模块25的驱动端中，对应的开关模块25可导通工作在线性区域。提早关断的开关模块25被导通，从而开关支路可实现电压均衡。
其他实施方式中，当其中一个开关模块25相对于其他开关模块25延时开通时也会出现电压不均衡问题，该电压均衡模块273也可在开通时实现电压均衡控制。其他实施方式中，该电压均衡模块还可通过其他形式实现，例如RC吸收电路。
请参照图15，为将图14所示的电压均衡模块273用于同步关断如图11所示的6个电子开关的电压及电流波形示意图。与图11相比不同之处在于，由于加入该电压均衡模块273，t*2到t2时间段内，6个串联的开关模块均被关断，且关断时，每个开关模块两端产生关断电压Uce基本一致，从而可实现电压平衡。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (20)
1.一种电路，其特征在于：该电路包括：
开关模块；
控制模块；及
驱动模块，电性耦合在该开关模块和该控制模块之间，该驱动模块包括：
正常驱动单元，用于根据该控制模块提供的第一指令信号驱动该开关模块的通断；及
故障保护单元，当该控制模块接收到故障信号后，在故障保护时间内，该故障保护单元用于根据该控制模块提供的第二指令信号将该驱动信号从驱动值降低到保护值。
2.如权利要求1所述的电路，其中，在该故障保护时间后，该正常驱动单元用于提供阻断值的驱动信号给该开关模块以关断该开关模块，该保护值大于该阻断值。
3.如权利要求1所述的电路，其中该故障保护单元包括稳压元件，用于将该驱动信号从该驱动值钳位到该保护值。
4.如权利要求3所述的电路，其中该故障保护单元还包括第一开关器件，用于根据该第二指令信号触发该稳压元件工作于稳压状态。
5.如权利要求4所述的电路，其中该稳压元件包括电性耦合在该开关模块和该第一开关器件之间的第一稳压二极管。
6.如权利要求5所述的电路，其中该驱动信号由该驱动值逐级降低到该保护值。
7.如权利要求6所述的电路，其中该稳压元件包括：
若干与该第一稳压二极管电性串联耦合的第二稳压二极管；及
若干第二开关器件，每个第二开关器件分别对应电性耦合在一个第二稳压二极管两端；
当该第一开关器件根据该第二指令信号被触发导通后，该若干第二开关器件根据该控制模块提供的第三指令信号被依次间隔导通。
8.如权利要求2所述的电路，其中该控制模块提供包括低频分量信号和高频分量信号的指令信号，且该低频分量信号用作该第一指令信号，该高频分量信号用作该第二指令信号。
9.如权利要求1所述的电路，其中该故障保护单元包括电性耦合在该开关模块和该正常驱动单元之间的可变阻抗元件，用于将该驱动信号从该驱动值降低到该保护值。
10.如权利要求9所述的电路，其中该可变阻抗元件包括电阻和与该电阻两端相电性耦合的可控开关，且该可控开关在接收到该第二指令信号时被关断。
11.如权利要求1所述的电路，其中，该电路还包括电性耦合至该开关模块的电压均衡模块，用于通过单向导通元件向该开关模块的驱动端注入驱动电流，以均衡该开关模块与相邻元件的电压。
12.如权利要求11所述的电路，其中该电源均衡模块包括第一电阻、第一电容、第二电阻、第二电容和二极管，其中：
每个第一电阻、第一电容、第二电阻、第二电容的第一端和该二极管阳极电性耦合在一个节点；
每个第一电阻和第一电容的第二端电性耦合至该开关模块的第一端；
每个第二电阻和第二电容的第二端电性耦合至该开关模块的第二端；及
该二极管的阴极电性耦合至该开关模块的驱动端。
13.一种电能变换电路，其特征在于：该电路包括：
控制模块；
变换器，用于将第一电能转换成第二电能，该变换器包括：
开关模块；及
驱动模块，电性耦合至该开关模块，该驱动模块包括：
正常驱动单元，用于根据该控制模块提供的第一指令信号驱动该开关模块的通断；及
故障保护单元，当该控制模块接收到故障信号后，在故障保护时间内，该故障保护单元用于根据该控制模块提供的第二指令信号将该驱动信号从驱动值降低到保护值。
14.如权利要求13所述的电能变换电路，其中，在该故障保护时间后，该正常驱动单元用于提供阻断值的驱动信号给该开关模块以关断该开关模块，该保护值大于该阻断值。
15.如权利要求13所述的电能变换电路，其中该故障保护单元包括稳压元件，用于将该驱动信号从该驱动值钳位到该保护值。
16.如权利要求13所述的电路，其中该故障保护单元包括电性耦合在该开关模块和该正常驱动单元之间的可变阻抗元件，用于将该驱动信号从该驱动值降低到该保护值。
17.一种电路，其特征在于：该电路包括：
开关模块；
控制模块；及
驱动模块，电性耦合在该开关模块和该控制模块之间，该驱动模块用于：
根据该控制模块提供的第一指令信号驱动该开关模块的通断；
当该控制模块接收到故障信号后，在故障保护时间内，该驱动模块用于根据该控制模块提供的第二指令信号将该驱动信号从驱动值降低到保护值；及
在该故障保护时间后，该驱动模块用于提供阻断值的驱动信号给该开关模块以关断该开关模块。
18.如权利要求17所述的电路，其中该驱动模块包括稳压元件，用于将该驱动信号从该驱动值钳位到该保护值。
19.如权利要求18所述的电路，其中该驱动模块还包括第一开关器件，用于根据该第二指令信号触发该稳压元件工作于稳压状态。
20.如权利要求19所述的电路，其中，该电路还包括电性耦合至该开关模块的电压均衡模块，用于通过单向导通元件向该开关模块的驱动端注入驱动电流，以均衡该开关模块与相邻元件的电压。
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