CN104375048B - 换流器系统的短路检测装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种换流器系统的短路检测装置及其方法，该短路检测装置包括：基板上布置多个电力半导体的电源模块；利用多个电力半导体之间形成的基板上具有一定测量距的导线阻抗，感应电压检测短路与否的短路检测部；检测到短路后切断多个电力半导体输出的控制部。按照本发明可以迅速切断过电流的发生，有效改善电动汽车用换流器系统的高压输出电缆线之间的短路检测方法。

Description

换流器系统的短路检测装置及其方法
技术领域
本发明涉及换流器系统，具体而言，有效改善电动汽车用换流器系统的高压输出电缆短路检测方法，及时检测到马达内部的绝缘性能下降导致的换流器输出电缆之间的短路，迅速切断输出，高压电缆之间的短路造成过电流时防止换流器受损，加强电动汽车的安全和耐久性能的换流器系统的短路检测装置及其方法。
背景技术
电动汽车作为驱动手段采用永磁型马达。这种永磁型马达是通过控制器的PWM(Pulse Width Modulation)信号将直流电压转换为三相电压的换流器，通过电缆传达的电压以及/或电流驱动。
因此，将换流器输出的三相电压供应给马达的电缆发生问题时，不仅无法正常驱动马达，高压、高电流流入换流器，损伤换流器造成严重的问题。
并且，向马达传递动力的电缆之间发生短路时，产生巨大的脉动扭矩导致运行的不安全性，成为事故原因，磨损连接在马达的机械部件。
尤其，电缆之间发生短路时，构成换流器的电力元件上流经大电流，若不迅速切断电流，会产生电力元件的热损坏。
一般的电缆短路感应方法是，驱动马达之前依次接通切换阵列，测量各相(U,V,W)的电流。在测量的各相(U,V,W)电流中感应到过电流时，判断该电缆发生短路。
电缆短路感应方法的一个例子的附图显示在附图1至图4。其中，图1为检测电动汽车的换流器输出电缆断线的控制和输入结构示意图。如图1所示，由ECU控制部110、接收ECU控制部110的驱动信号生成输出电流的换流器120、位于换流器输出端的U相、V相、W相输出电缆连接器130、140、150、U,V,W输出电流感应为目的的电流传感器160、170、180、马达190等构成。
图2为电动汽车的换流器高压输出电缆短路检测顺序图。换流器120接收电流传感器160、170、180感应到的电流值，比较输入电压是否高于基准电压，检测过电流的产生流程(①,②)。
比较过电流流经的时间ΔT，判断换流器输出电缆短路造成的过电流，还是输出电缆正常，只是控制错误造成的过电流，检测输出电缆短路流程(③ 至 ⑤)。
图3为图2所示的电流传感器感应到的U、V、W相电流波形的示意图；图4为图2所示的电压波形示意图。换句话说，即使发生过电流(比如，300A, 400A, 500A)，输出的感应输出电压只有4.5V。
但是，电流传感器的输出延迟时间和从噪声中去除切换噪声所需的低通滤波器的影响下，难以准确计算ΔT。因此，难以准确感应到高压电缆的短路。
并且，高压输出电缆之间发生短路时，瞬间产生巨大的过电流，所以要提高检测的迅速性和准确性，就需要安装感应范围从几百安培到数千安培的电流感应器。但是，电流感应范围大的高性能电流传感器就越贵。
【先行技术文献】
【专利文献】
1. 韩国注册专利第10-1091636号
2. 韩国公开专利第10-2012-0061660号
3. 韩国公开专利第10-2009-0109373号。
发明内容
为了解决上述的技术课题，本发明的目的在于提供一种换流器系统的短路检测装置及其方法，其可以及时检测马达内部的绝缘性能下降导致的换流器输出电缆之间的短路，迅速切断输出，有效改善电动汽车用换流器系统的高压输出电缆短路检测方法。
本发明的另一个目的在于提供一种换流器系统的短路检测装置及其方法，其可以在高压电缆之间的短路造成过电流时，防止换流器受损，加强电动汽车的安全和耐久性能。
为了达到上述目的，本发明提供一种换流器系统的短路检测装置，其中包括：
基板上布置多个电力半导体的电源模块；
利用多个电力半导体之间形成的基板上具有一定测量距的导线阻抗，感应电压检测短路与否的短路检测部；以及
感应到短路后切断多个电力半导体输出的控制部。
上述短路检测部包括，利用导线阻抗感应电压的电压感应部、将感应到的电压与基准电压进行比较的电压比较部。
上述多个电力半导体并联，一定测量距是并联之间形成的距离。
上述导线阻抗为连接到三相马达的U、V、W输出高压连接器导线阻抗中的一个。
还包括，
感应U、V、W输出高压连接器电流的多个电流传感器，但是上述多个的电流传感器不是高性能。
上述多个电力半导体为绝缘栅双极型晶体管。
上述导线为覆铜陶瓷基板。
一种换流器系统的短路检测方法，其中包括：
利用多个电力半导体之间形成的基板上具有一定测量距的导线阻抗，感应电压的电压感应阶段；
利用感应到的电压检测短路与否的感应阶段；以及
感应结果发现短路时，切断多个电力半导体输出的输出切断阶段。
上述检测短路与否的感应阶段包括，利用导线阻抗感应电压的阶段；将感应到的电压与基准电压进行比较的阶段。
上述多个电力半导体并联，一定测量距是并联之间形成的长度。
上述导线阻抗为连接到三相马达的U、V、W输出高压连接器的导线阻抗之一。
还包括：
利用多个电流传感器感应U、V、W输出高压连接器电流的阶段，但是上述的多个电流传感器不是高性能的。
上述多个电力半导体为绝缘栅双极型晶体管。
上述导线为覆铜陶瓷基板。
采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在电流感应方法上增加了利用内部导线阻抗和电压比较器的电压感应方法，与传统上只利用电流传感器检测输出电缆之间的短路相比，更加准确、迅速地切断过电流的发生，有效改善电动汽车用换流器系统的高压输出电缆之间的短路检测方法；
2、本发明的其他效果还有，高压电缆之间的短路造成过电流时，防止换流器受损，有助于加强混合动力汽车的安全和耐久性；
3、本发明的另一个效果有，因为利用内部导线阻抗感应电压，所以无需单独的高性能电流传感器，有助于节省成本，工艺简单。
附图说明
图1为普通电动汽车检测换流器输出电缆断线的控制和输入结构图；
图2为图1所示电动汽车换流器高压输出电缆的短路检测顺序图；
图3为图2所示的电流传感器中感应到的U,V,W相电流波形的示意图；
图4为图2所示的电压波形示意图；
图5为本发明一个实施方式的检测电动汽车换流器输出电流断线的概念图；
图6为本发明一个实施方式的换流器系统的短路检测装置构成图；
图7为本发明一个实施方式的换流器系统的短路检测过程流程图。
附图符号
110，601：控制部； 120：换流器；
130，630：U输出电缆连接器； 140，640：V 输出电缆连接器；
150，650：W 输出电缆连接器； 160，170，180，660，670，680：电流传感器；
190，690：马达； 510-1：第一电力半导体；
510-2：第二电力半导体； 520：第一测量点；
530：第二测量点； 540：一定测量距；
550：过电流路径； 560：基板；
600：短路检测装置； 610：短路检测部；
611：电压比较部； 613：电压感应部；
612：基准电压； 620：电源模块；
621：电力半导体。
具体实施方式
本发明可以增加各种变更，可以有各种不同的实施方式，下面将特定的实施方式例示在附图上，再进行详细的说明。这并不是为了将本发明限定于特定的实施形态，包括在本发明的思想和技术范畴内的所有变更、均等品质替代物。
附图说明中，类似的附图符号代表类似的构成要素。
第一、第二等术语可以用于说明不同的构成要素，但是这些构成要素不能被限定于上述术语。上述术语的目的只是区别一个构成要素和其他构成要素。
比如，不超出本发明权利范围的前提下，第一构成要素可以被命名为第二构成要素，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。"以及/或"这些术语包括，多个相关项目的组合或多个相关项目中的某一个项目。
除非有特殊的定义，包括技术或科学术语在内本发明中使用的术语，均是本发明所属的技术领域掌握一般知识的从业人员通常理解的意思。
通常使用的辞典上定义的术语应与相关技术脉络上的意思相符。除非本申请中有明确的定义，不宜理解为理想化或过分形式上的意义。
下面结合附图详细说明，本发明一个实施方式的换流器系统的短路检测装置及其方法。
图5为本发明一个实施方式的检测电动汽车换流器输出电缆断线的概念图。如图5所示，电源模块的基板560上并列安排第一电力半导体510-1和第二电力半导体510-2。
这样的第一电力半导体510-1和第二电力半导体510-2之间形成空间，该空间上形成检测短路所需的一定测量距540。
该一定测量距540是第一测量点520和第二测量点530之间的距离。
因此，换流器输出电缆短路时产生的过电流通过过电流路径550流经第一测量点520和第二测量点530之间时，利用一定测量距540产生的基板内部导线阻抗成份，感应一定测量距540的阻抗成份产生的电压。
利用感应到的电压检测换流器高压输出电缆之间的短路与否，准确检测换流器高压输出电缆的短路。并且，发生这样的短路时，切断高压输出。
在此，第一电力半导体510-1、第二电力半导体510-2采用了IGBT（Insulated GateBipolar Mode Transistor）（绝缘栅双极型晶体管），但是并不限定于此，还可以使用双极（bipolar）、电力MOSFET（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor）元件等。电力MOSFET元件进行高压高电流动作，区别于普通的MOSFET，具有DMOS(Double-DiffusedMetal Oxide Semiconductor)结构。
并且，上述导线为DBC(Direct Bond Copper)薄膜。
图6为本发明一个实施方式的换流器系统的短路检测装置600构成图。如图6所示，换流器系统的短路检测装置600包括，基板560 （图5）上的多个布置电力半导体621的电源模块620；利用上述多个电力半导体621之间形成的基板560上具有一定测量距540（图5）的导线阻抗值，感应电压检测短路与否的短路检测部610；感应到短路时，切断多个电力半导体621输出的控制部601等。
短路检测部610包括，利用导线阻抗感应一定测量距540上的电压的电压感应部613；将感应到的电压与基准电压612进行比较的电压比较部611。当然，虽然图6中电压感应部613以及/或电压比较部611图示为一个，但是为三相电压，可以构成U相电压、V相电压、W相电压所需的三个电压感应部613。并且，为三个电压感应部613可以构成三个电压比较部611。
并且，电源模块620的一端构成向马达690供电的U输出电缆连接器630、V输出电缆连接器640、W输出电缆连接器650。
马达690采用三相马达，为此构成U输出电缆连接器630、V 输出电缆连接器640以及W 输出电缆连接器650。马达690是电动汽车用马达，电动汽车可以是EV（ElectricVehicle）、HEV（Hybrid Electric Vehicle）、PHV（Plug-in Hybrid Vehicle）、燃料汽车等。
如图6所示，马达690和U输出电缆连接器630、V输出电缆连接器640、W输出电缆连接器650之间配备电流传感器660、670、680感应电流的电流感应方法已经广为人知，在此不再赘述。
这些电流传感器660、670、680不是高性能的电流传感器，只是使用普通的电流传感器。因此，不仅可以解决背景技术中电流传感器使用上存在的问题，还可以选择性地检测短路。
控制部601是CPU（Central Processing Unit），由微处理器以及/或MICOM等构成，接收短路检测部610传送的高压电缆的短路信息，关闭电源模块620内的电力半导体621。因此，电力半导体621不会供电。此时，可以防止过电流造成的换流器受损。
图7为本发明一个实施方式的换流器系统短路检测过程流程图。如图7所示，左侧顺序图是通过一般的电流传感器感应电流，检测短路的过程（S710,S713,S715），右侧顺序图是感应位于电源模块的电力半导体内部导线阻抗值的电压，检测短路的过程（S720,S723,S725）。
首先，如左侧顺序图所示，通过电流感应器660、670、680 （图6）感应电流，通过判断逻辑比较感应的电流和基准电流（步骤S710,S713）。通过这样的判断逻辑检出是否为过电流，控制过电流切断电力半导体621的闸输出（步骤S715、S730）。
与此同时，如右侧顺序图所示，利用多个电力半导体之间形成的基板上具有一定测量距的导线阻抗感应电压（步骤S720）。将感应到的电压与基准电压进行比较，判断是否短路（步骤S713）。
判断结果，检测到短路时切断电力半导体621的输出（步骤S725,S730）。

Claims (12)

1.一种换流器系统的高压输出电缆的短路检测装置，其特征在于：包括：
基板上布置多个电力半导体的电源模块；
利用多个电力半导体之间形成的基板上具有一定测量距的导线阻抗，感应电压检测短路与否的短路检测部；以及
感应到短路后切断多个电力半导体输出的控制部，
上述导线阻抗为连接到三相马达的U、V、W输出高压连接器导线阻抗中的一个。
2.根据权利要求1所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测装置，其特征在于：
上述短路检测部包括，利用导线阻抗感应电压的电压感应部、将感应到的电压与基准电压进行比较的电压比较部。
3.根据权利要求1所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测装置，其特征在于：
上述多个电力半导体并联，一定测量距是并联之间形成的距离。
4.根据权利要求1所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测装置，其特征在于：还包括，
感应U、V、W输出高压连接器电流的多个电流传感器，但是上述多个的电流传感器不是高性能的。
5.根据权利要求1所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测装置，其特征在于：
上述多个电力半导体为绝缘栅双极型晶体管。
6.根据权利要求1所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测装置，其特征在于：
上述导线为覆铜陶瓷基板。
7.一种换流器系统的高压输出电缆的短路检测方法，其特征在于：包括：
利用多个电力半导体之间形成的基板上具有一定测量距的导线阻抗，感应电压的电压感应阶段；
利用感应到的电压检测短路与否的短路与否感应阶段；以及
感应结果发现短路时，切断多个电力半导体输出的输出切断阶段，
上述导线阻抗为连接到三相马达的U、V、W输出高压连接器的导线阻抗之一。
8.根据权利要求7所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测方法，其特征在于：
上述检测短路与否的感应阶段包括，利用导线阻抗感应电压的阶段；将感应到的电压与基准电压进行比较的阶段。
9.根据权利要求7所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测方法，其特征在于：
上述多个电力半导体并联，一定测量距是并联之间形成的长度。
10.根据权利要求7所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测方法，其特征在于：还包括：
利用多个电流传感器感应U、V、W输出高压连接器电流的阶段，但是上述的多个电流传感器不是高性能的。
11.根据权利要求7所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测方法，其特征在于：
上述多个电力半导体为绝缘栅双极型晶体管。
12.根据权利要求7所述的换流器系统的高压输出电缆的短路检测方法，其特征在于：上述导线为覆铜陶瓷基板。
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