CN106341032A - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种电力变换装置，包括：开关元件；集电极侧配线，其连接到所述开关元件的集电极侧；发射极侧配线，其连接到所述开关元件的发射极侧；检测电路，其配置为检测当电流流经所述集电极侧配线或所述发射极侧配线时在所述集电极侧配线或所述发射极侧配线中生成的感应电压；以及比较电路，其配置为将由所述检测电路检测的所述感应电压和提前确定的预定阈值电压相互进行比较。

Description

电力变换装置
技术领域
本发明涉及电力变换装置，并且尤其涉及这样一种电力变换装置，其能够执行对流经开关元件的电流是否是短路电流的检测。
背景技术
优选地，对流经开关元件的电流是否是短路电流的检测是以快速方式执行的。
作为示例，日本专利申请公开第2001-169533号(JP2001-169533A)公开了一种罗戈夫斯基线圈(Rogowski coil)，其被布置以用于对流经电力变换装置的开关元件的主电流的电流变化率的检测。
在将罗戈夫斯基线圈串联放置在开关元件中的方法中，在罗戈夫斯基线圈中生成的感应电压是电流的时间微分，从而不论流经开关元件的电流是否是短路电流，其能够在短时间段内被检测到。当外部磁场作为噪声在罗戈夫斯基线圈中时，错误检测上升。然而，在罗戈夫斯基线圈中，在待测对象的电流路径中该线圈得成为环路，这导致了成本的增加和安装区域的增加。
发明内容
本发明提供一种电力变换装置，其允许快速执行对流经开关元件的电流是否是短路电流的检测，而不额外增加罗戈夫斯基线圈。
根据本发明的一个方案的电力变换装置，其包括：开关元件；集电极侧配线，其连接到所述开关元件的集电极侧；发射极侧配线，其连接到所述开关元件的发射极侧；检测电路，其配置为检测当电流流经所述集电极侧配线或所述发射极侧配线时在所述集电极侧配线或所述发射极侧配线中生成的感应电压；以及比较电路，其配置为将所述感应电压和提前确定的预定阈值电压相互进行比较。
根据本发明的方案的电力变换装置检测当电流流经连接到开关元件的发射极侧的发射极侧配线或连接到开关元件的集电极侧的集电极侧配线时由发射极侧配线或集电极侧配线的配线电感生成的感应电压。发射极侧配线的配线电感和集电极侧配线的配线电感通常称为配线材料和配线布置的电感成分的寄生电感，并且它们不是诸如外部的罗戈夫斯基线圈的附加电感元件。
通常，配线的电感成分具有从大约数nH(纳亨利)到大约几十nH的范围。然而，当开关元件遭受短路时，大电流在短时间段内流动，从而导致电流的时间微分变为较高的值。例如，当10kA的短路电流在1μs流动时，由5nH的配线电感成分生成的感应电压变成50V，这可以被充分地检测到。因而，通过检测由发射极侧配线或集电极侧配线的配线电感生成的感应电压，且将其与预定阈值电压进行比较，即使没有外部增加的罗戈夫斯基线圈，也能够快速地检测流经开关元件的电流是否是短路电流。
在根据本发明的方案的电力变换装置中，检测电路可以配置为在所述发射极侧配线中的在所述开关元件的所述发射极侧上的发射极检测点与所述发射极侧配线中的第一检测点之间检测在所述发射极侧配线中生成的所述感应电压，所述第一检测点在电势上低于所述发射极检测点。在根据本发明的方案的电力变换装置中，检测电路可以配置为在所述集电极侧配线中的在所述开关元件的所述集电极侧上的集电极检测点与所述集电极侧配线中的第二检测点之间检测在所述集电极侧配线中生成的所述感应电压，所述第二检测点在电势上高于所述集电极检测点。
在根据本发明的方案的电力变换装置中，开关元件遭受从集电极侧上的电源朝向发射极侧上的地的电流流动。在这点上，对由发射极侧配线的配线电感生成的感应电压的检测是在发射极侧配线中的在所述开关元件的所述发射极侧上的发射极检测点与进一步在接地侧上的并且在电势上低于所述发射极检测点的第一检测点之间执行的。此外，对由集电极侧配线的配线电感生成的感应电压的检测是在集电极侧配线中的在所述开关元件的所述集电极侧上的集电极检测点与进一步在电源侧上的并且在电势上高于所述集电极检测点的第二检测点之间执行的。当感应电压检测点置于如上所述的配线中时，能够快速检测流经开关元件的电流是否是短路电流。
在根据本发明的方案的电力变换装置中，检测电路可以配置为在第二检测点与所述开关元件的发射极检测点之间检测在所述集电极侧配线中生成的所述感应电压，所述第二检测点在电势上高于所述集电极侧配线中的在所述开关元件的所述集电极侧上的集电极检测点。例如，在当开关元件导通时基于在集电极侧配线中生成的感应电压来检测流经开关元件的电流是否是短路电流的情况下，开关元件具有低级别的导通电阻。例如，当在集电极检测点的附近取第二检测点时，第二检测点的电势变得与开关元件的发射极检测点的电势几乎相同。例如，当用于另一目的的端子已经被置于开关元件的集电极侧上时，现有端子本身能够被用作第二检测点，这是有利的，因为无需使用用于感应电压的检测的特殊端子。
根据本发明的方案的电力变换装置可以进一步包括：输出电路，其配置为基于由所述比较电路进行的所述比较的结果来输出预定的信号。在根据本发明的方案的电力变换装置中，输出电路可以配置为当所述感应电压高于所述预定阈值电压时输出所述信号。通过将在流经开关元件的电流是短路电流时的感应电压设置为预定阈值电压，能够基于感应电压与预定阈值电压之间的比较来检测流经开关元件的电流是否是短路电流。通过当感应电压高于预定阈值电压时输出预定的信号，能够快速检测到流经开关元件的电流是短路电流。
根据本发明的方案的电力变换装置可以进一步包括：栅极监测电路，其配置为监测所述开关元件的栅极电压，并且当由所述栅极监测电路测量的所述栅极电压达不到所述开关元件的导通阈值电压时，所述信号可以被屏蔽。所述预定的信号输出感应电压与预定阈值电压之间的比较的结果，从而当例如，开关元件从关(OFF)上升至开(ON)时可能错误地输出该预定的信号。然而，根据该配置，能够防止在开关元件从OFF上升至ON时错误地输出所述预定的信号。
根据本发明的方案的电力变换装置可以进一步包括：逆变器桥臂，在所述逆变器桥臂中，上桥臂开关元件和下桥臂开关元件在电源和地之间串联连接；以及上桥臂短路电流检测电路，其配置为基于在所述上桥臂开关元件的所述发射极侧配线中生成的所述感应电压来检测流经所述上桥臂开关元件的短路电流。根据本发明的方案的电力变换装置可以进一步包括：逆变器桥臂，在所述逆变器桥臂中，上桥臂开关元件和下桥臂开关元件在电源和地之间串联连接；以及下桥臂短路电流检测电路，其配置为基于在所述下桥臂开关元件的所述发射极侧配线中生成的所述感应电压来检测流经所述下桥臂开关元件的短路电流。
根据本发明的方案的电力变换装置可以进一步包括：逆变器桥臂，在所述逆变器桥臂中，上桥臂开关元件和下桥臂开关元件在电源和地之间串联连接；以及上桥臂短路电流检测电路，其配置为基于在所述上桥臂开关元件的所述集电极侧配线中生成的所述感应电压来检测流经所述上桥臂开关元件的短路电流。根据本发明的方案的电力变换装置可以进一步包括：逆变器桥臂，在所述逆变器桥臂中，上桥臂开关元件和下桥臂开关元件在电源和地之间串联连接；以及下桥臂短路电流检测电路，其配置为基于在所述下桥臂开关元件的所述集电极侧配线中生成的所述感应电压来检测流经所述下桥臂开关元件的短路电流。
对于待检测的构成逆变器桥臂的两个开关元件中的一个的短路，在遭受短路的开关元件关断且另一开关元件导通的状态下可以检测流经该另一开关元件的电流是否过大。在这点上，当基于在上桥臂集电极侧配线中生成的感应电压来检测流经上桥臂开关元件的电流是否是短路电流时使用了上桥臂短路电流检测电路。当基于在下桥臂集电极侧配线中生成的感应电压来检测流经下桥臂开关元件的电流是否是短路电流时使用了下桥臂短路电流检测电路。类似地，当基于在上桥臂发射极侧配线中生成的感应电压来检测流经上桥臂开关元件的电流是否是短路电流时使用了上桥臂短路电流检测电路。当基于在下桥臂发射极侧配线中生成的感应电压来检测流经下桥臂开关元件的电流是否是短路电流时使用了下桥臂短路电流检测电路。以此方式，能够精确并快速地检测流经开关元件的电流是否是短路电流。
根据本发明的方案的电力变换装置，即使在没有额外增加罗戈夫斯基线圈的情况下，也能够快速检测到流经开关元件的电流是否是短路电流。
附图说明
以下将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1A是示出在作为根据本发明的实施例的电力变换装置的逆变器桥臂中的发射极侧配线的配线电感及其检测点的电路配置图；
图1B是在实现图1A中所示的配置时的平面结构图；
图1C是在实现图1A中所示的配置时的端子侧的侧视图；
图1D是在实现图1A中所示的配置时的端子侧的相对侧的侧视图；
图2A是示出在作为根据本发明的实施例的电力变换装置的逆变器桥臂中的集电极侧配线的配线电感及其检测点的电路配置图；
图2B是在实现图2A中所示的配置时的平面结构图；
图2C是在实现图2A中所示的配置时的端子侧的侧视图；
图2D是在实现图2A中所示的配置时的端子侧的相对侧的侧视图；
图3A是在当通过使用作为根据本发明的实施例的电力变换装置的逆变器桥臂中的发射极侧配线的配线电感来检测短路电流时与下桥臂短路电流检测单元有关的电路配置图；
图3B，其对应于图3A，是与上桥臂短路电流检测单元有关的电路配置图；
图4A是示出在图3A中所示的电路配置中在上桥臂开关元件没有短路故障的正常操作时每个元件的操作状态的时序图；
图4B，其与图4A相反，是示出在上桥臂开关元件的短路故障时每个元件的操作状态的时序图；
图5A是在当通过使用作为根据本发明的实施例的电力变换装置的逆变器桥臂中的集电极侧配线的配线电感来执行短路电流检测时与下桥臂短路电流检测单元有关的电路配置图；
图5B，其对应于图5A，是与上桥臂短路电流检测单元有关的电路配置图；
图6A是示出在图5A中所示的电路配置中在上桥臂开关元件没有短路故障的正常操作时每个元件的操作状态的时序图；
图6B，其与图6A相反，是示出在上桥臂开关元件的短路故障时每个元件的操作状态的时序图；
图7是示出图5A中所示的电路配置中短路电流检测的故障的可能性的时序图；
图8A，其关联于图5A，是在当通过使用栅极电压检测来防止短路电流检测的故障时与下桥臂短路电流检测单元有关的电路配置图；
图8B，其对应于图8A，是与上桥臂短路电流检测单元有关的电路配置图；
图9A是示出在图8A中所示的电路配置中在上桥臂开关元件不具有短路故障的正常操作时包括屏蔽信号的每个元件的操作状态的时序图；以及
图9B，其与图9A相反，是示出在上桥臂开关元件的短路故障时包括屏蔽信号的每个元件的操作状态的时序图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。在接下来的描述中，单个逆变器桥臂将被描述为电力变换装置。它是用于描述性目的的示例，且电力变换装置可以配置为包括多个逆变器桥臂。例如，配置为包括并联连接的三个逆变器桥臂的电力变换装置能够在三相旋转电机的驱动电路中使用。
逆变器桥臂是一种电路装置，其中上桥臂开关元件和下桥臂开关元件在电源和地之间串联连接。地的电势低于电源的电势，但其不限于0V。例如，地的电势可以是负电势。
在接下来的描述中，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)将被描述为开关元件。它是用于描述性目的的示例，且开关元件也可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
在电力变换装置中，当电流流经集电极侧配线或发射极侧配线时检测在集电极侧配线或发射极侧配线中生成的感应电压，使得对流经开关元件的电流是否是短路电流的检测以快速方式执行。使用附加感测端子的开关元件是已知的作为用于执行对流经开关元件的电流是否是短路电流的检测的方法。感测端子取出流经开关元件的电流的极小的部分。例如，通过感测端子取出与流经开关元件的电流的千分之一相等的电流并将其与提前确定的阈值电流进行比较，检测流经开关元件的电流是否是短路电流。然而，通过这种方法，由于弱感测电流导致的灵敏度低，不能执行快速检测，并且感测电流上升到阈值电流是费时的。在这点上，根据本发明的一种形式的电力变换装置检测在电流流经集电极侧配线或发射极侧配线时在集电极侧配线中或发射极侧配线中生成的感应电压。
在接下来的描述中，为描述简便，将关于配线电感来彼此区分发射极侧和集电极侧，并且将关于短路电流检测单元来彼此区分上桥臂侧和下桥臂侧。配线电感就其本性而言存在于发射极侧和集电极侧这两侧上。此外，在上桥臂开关元件和下桥臂开关元件串联连接的结构中，在许多情况下不知道开关元件中的哪一个遭受短路故障。例如，在结构上明显的是短路故障频繁地出现在上桥臂侧或下桥臂侧之中的一侧的情况下，能够想到的是单个短路电流检测单元将是足够的。除了这种情况，短路电流检测单元可以布置在上桥臂侧和下桥臂侧中的每一侧上。
在接下来的描述中，在所有附图中将使用相同的附图标记指代相应的元件，并且将省略重复描述。
图1A至图1D和图2A至2D是示出在作为电力变换装置的逆变器桥臂10中各配线的配线电感及其检测点的图。
逆变器桥臂10是上桥臂开关元件30和下桥臂开关元件40在电源和地之间串联连接的电路装置，电源用VH表示，地用GND表示。
上桥臂开关元件30和下桥臂开关元件40中的每一个均为N沟道型IGBT，并且集电极和发射极之间的二极管是回流二极管。在与IGBT相同的芯片(诸如RC-IGBT)上制成的二极管能够被用作回流二极管。可替换地，回流二极管能够与IGBT主体独立地并且分离地制成。
上桥臂开关元件30和下桥臂开关元件40中的每一个均具有发射极侧配线的配线电感和集电极侧配线的配线电感。将首先描述发射极侧配线的配线电感，然后将描述集电极侧配线的配线电感。
图1A至图1D示出上桥臂开关元件30和下桥臂开关元件40的发射极侧配线的各自的配线电感及其各自的检测点。图1A是逆变器桥臂10的电路配置图。图1B是逆变器桥臂10的平面结构图。图1C是逆变器桥臂10的端子侧的侧视图，且图1D是与该端子侧相对的侧的侧视图。端子侧指：连接到电源并且用P表示的端子12、连接到地并且用N表示的另一端子16以及用O表示的输出端子20被放置的侧。
逆变器桥臂10具有以沿从用VH表示的电源朝向用GND表示的地的方向的如下顺序串联连接的各元件。以电源VH、端子12、上桥臂开关元件30的集电极侧配线14、上桥臂开关元件30、中间母线22、下桥臂开关元件40、下桥臂开关元件40的发射极侧配线18、另一端子16、以及GND的顺序连接元件。中间母线22是上桥臂开关元件30的发射极侧配线和下桥臂开关元件40的集电极侧配线彼此一体化的配线。逆变器桥臂10的输出端子20从中间母线22引出。
端子12、上桥臂开关元件30的集电极侧配线14、中间母线22、下桥臂开关元件40的发射极侧配线18、另一端子16、以及输出端子20是导电板材。除中间母线22之外，这些是平坦板材。
如图1B、图1C和图1D所示，逆变器桥臂10具有使用中间母线22的紧凑的物理结构，中间母线22具有分段结构，该分段结构具有下段和上段。换言之，上桥臂开关元件30的发射极(E)连接到中间母线22的上段的下表面，并且下桥臂开关元件40的集电极(C)连接到中间母线22的下段的上表面。上桥臂开关元件30的集电极(C)连接到集电极侧配线14的上表面，并且端子12从集电极侧配线14引出。下桥臂开关元件40的发射极(E)连接到发射极侧配线18的下表面，且另一端子16从发射极侧配线18引出。输出端子20从中间母线22引出。
在图1A和图1B中，上桥臂开关元件30的发射极侧上的配线电感50是中间母线22在上桥臂开关元件30的发射极侧配线处的部分的电感成分。当电流流经其时生成感应电压。对感应电压的检测是在中间母线22的在上桥臂开关元件30的发射极侧的发射极检测点52与中间母线22的在输出端子20侧的第一检测点54之间执行的。第一检测点54相对于配线电感50的电势低于发射极检测点52的电势。如图1B中所示，第一检测点54可以布置在输出端子20的中间母线22侧上。
在下桥臂开关元件40的发射极侧的配线电感60是发射极侧配线18的电感成分。当电流流经其时生成感应电压。对感应电压的检测是在下桥臂开关元件40的在发射极侧配线18中的发射极检测点62与发射极侧配线18的在另一端子16侧上的第一检测点64之间执行的。第一检测点64相对于配线电感60的电势低于发射极检测点62的电势。如图1B中所示，第一检测点64可以布置在另一端子16的发射极侧配线18侧上。
图1A中各端子和检测点按照电压从最高到最低排列如下。换言之，这些端子和检测点以端子12、中间母线22中的发射极检测点52、中间母线22中的第一检测点54、输出端子20、发射极侧配线18中的发射极检测点62、发射极侧配线18中的第一检测点64、以及另一端子16的顺序排列。
在中间母线22中的发射极检测点52和在中间母线22中的第一检测点54对应于检测开关元件30的发射极侧配线的感应电压的检测单元，并且各布置有适当的引出线或端子。同样地，在发射极侧配线18中的发射极检测点62和在发射极侧配线18中的第一检测点64对应于检测开关元件40的发射极侧配线的感应电压的检测单元，并且各布置有适当的引出线或端子。适当的引出线或端子用于连接到将感应电压的大小与预定阈值电压进行比较的电路的连接端子。用于引线接合的金属线或类似物能够用作适当的引出线或端子。
在图1A和图1B中，配线电感50、60用虚线示出。这是为了示出配线电感50、60不是以外部罗戈夫斯基线圈或类似物的形式附加地布置的单个元件，而是配线固有的电感成分。对于接下来的图也是这样。
在下文中，将描述集电极侧配线的配线电感。图2A至图2D，它们是对应于图1A至图1D的图，示出了上桥臂开关元件30和下桥臂开关元件40的集电极侧配线的各自的配线电感及其各自的检测点。图2A是逆变器桥臂10的电路配置图。图2B是逆变器桥臂10的平面结构图。图2C是逆变器桥臂10的端子侧的侧视图，且图2D是与端子侧相对的侧的侧视图。
在图2A和图2B中，在上桥臂开关元件30的集电极侧的配线电感70是集电极侧配线14的电感成分。当电流流经其时生成感应电压。此外，在下桥臂开关元件40的集电极侧的配线电感80是中间母线22的在下桥臂开关元件40的集电极侧配线处的部分的电感成分。当电流流经其时生成感应电压。
如根据参照图1A和图1B所描述的内容，对感应电压的检测能够通过在各自的配线电感70、80的两端处的检测点之间的电压检测而执行。上桥臂开关元件30的集电极检测点和在电势上高于集电极检测点的第二检测点72用于对上桥臂开关元件30的集电极侧上的感应电压的检测。下桥臂开关元件40的集电极检测点以及在电势上高于集电极检测点的第二检测点82用于对下桥臂开关元件40的集电极侧上的感应电压的检测。
对在上桥臂开关元件30的集电极侧上的感应电压的检测能够替代于所使用的集电极检测点和第二检测点72而在上桥臂开关元件30的第二检测点72和发射极检测点74之间执行。上桥臂开关元件30连接在第二检测点72与发射极检测点74之间，但是上桥臂开关元件30中的电感成分的值低于集电极侧配线14的电感成分的值。因而，发射极检测点74的电势与上桥臂开关元件30的集电极检测点的电势实质上相同。
同样地，对在下桥臂开关元件40的集电极侧上的感应电压的检测能够替代于使用集电极检测点和第二检测点82而在第二检测点82和下桥臂开关元件40的发射极检测点84之间执行。
图2A中各端子和检测点按照电压从最高到最低排列如下。这些端子和检测点以端子12、在集电极侧配线14中的第二检测点72、上桥臂开关元件30的发射极检测点74、输出端子20、在中间母线22中的第二检测点82、下桥臂开关元件40的发射极检测点84、以及另一端子16的顺序排列。
在下文中，将描述利用配线电感的快速电流变化率检测能力的附加有短路电流检测单元的电力变换装置的电路配置和关于其操作的时序图。在对图1和图2中示出的逆变器桥臂10进行的驱动控制期间，当一个开关元件受到ON(开)操作时，另一个开关元件受到OFF(关)操作。设置适当的死区时间使得避免直通电流流动并且使得一个开关的通断正时与另一个开关的通断正时不彼此对应。
串联连接的上桥臂开关元件30和下桥臂开关元件40中的二者之一，在两种模式下遭受短路故障，一种模式是当一个开关元件受到OFF操作时另一个开关元件遭受短路故障的情况，另一种模式是当一个开关元件受到ON操作时另一个开关元件遭受短路故障的情况。对短路故障的检测是由在短路故障侧上的开关元件而执行的。然而，在前者的方法中，当短路故障发生时应当执行检测的开关元件保持OFF状态，从而直到开关元件被接通时检测延迟了死区时间。在后者的方法中，当短路故障发生时应当执行检测的开关元件已经处于ON状态下，从而短路故障检测能够以快速方式执行。
在接下来的描述中，通过检测流经处于ON操作下的开关元件的电流是否是短路电流来检测短路故障。此外，使用配线电感的高电流变化率检测能力使得检测以快速方式执行。换言之，通过用于短路电流检测目的的下桥臂开关元件40的配线电感来检测上桥臂开关元件30的短路故障。通过用于短路电流检测目的的上桥臂开关元件30的配线电感来检测下桥臂开关元件40的短路故障。
图3A和图3B是使用发射极侧配线的配线电感的附加有短路电流检测单元的电力变换装置10a、10b的电路配置图。图3A是在检测上桥臂开关元件30的短路故障时的电路配置图，且图3B是在检测下桥臂开关元件40的短路故障时的电路配置图。是上桥臂开关元件30遭受短路故障还是下桥臂开关元件40遭受短路故障是未知的，从而电力变换装置具有这样的配置：其中在图3A中示出的配置和在图3B中示出的配置彼此结合。然而，在接下来的描述中，分别描述用于短路故障检测的这两种配置的特征。
在图3A中所示的电力变换装置10a中，驱动电路90是连接到逆变器桥臂10的上桥臂开关元件30的栅极的电路并且执行对上桥臂开关元件30的ON-OFF控制。短路电流检测单元92在其中包括驱动电路94和用于进行短路电流检测的比较器96。短路电流检测单元92是置于下桥臂开关元件40侧上的下桥臂短路电流检测单元并且当上桥臂开关元件30遭受短路故障时检测流经下桥臂开关元件40的短路电流。驱动电路94是与驱动电路90具有相同内容的电路，且驱动电路94连接到下桥臂开关元件40的栅极并对下桥臂开关元件40执行ON-OFF控制。栅极电阻98是将下桥臂开关元件40的栅极电阻调整到适当值的电阻元件。类似的栅极电阻99(参照图3B)也布置在驱动电路90中，但是栅极电阻99没有在图3A中示出。旋转电机100是电力变换装置10a的负载的示例。平滑电容器102是抑制在逆变器桥臂10的端子12和另一端子16之间的电压波动和电流波动的电容性元件。
当逆变器桥臂10处于正常操作中时，电流在开关元件和旋转电机100之间流动。然而，此时，电流被旋转电机100的电感成分所限制，从而电流变化率(di/dt)相对较低。相反，当开关元件遭受短路故障时，电流从平滑电容器102直接流入开关元件，从而电流变化率(di/dt)高得多并且在一些情况下变得大约为高达正常操作期间的1000倍。因而，逆变器桥臂10的操作需要随快速检测开关元件的短路故障而停止。
在图3A中，是上桥臂开关元件30遭受短路故障，从而输入上桥臂开关元件30的驱动电路90的外部栅极信号处于Lo电平。输入下桥臂开关元件40的驱动电路94的外部栅极信号处于Hi电平。Lo电平是开关元件被关断所处于的栅极电压，而Hi电平是开关元件被接通所处于的栅极电压。
用于短路电流检测的比较器96是将在配线电感60中生成的感应电压与预定阈值电压VREF进行比较的比较单元。此外，用于短路电流检测的比较器96是基于比较的结果输出预定信号的输出单元。配线电感60的第一检测点64经由给定用于短路电流检测的预定阈值电压VREF的基准电压源连接到比较器96的正侧输入端子，该正侧输入端子为比较器96的两个输入端子之一。此外，配线电感60的发射极检测点62连接到负侧输入端子。当第一检测点64与发射极检测点62之间的电压低于阈值电压VREF时比较器96输出Lo电平并且当第一检测点64与发射极检测点62之间的电压等于或高于阈值电压VREF时输出Hi电平。当第一检测点64与发射极检测点62之间的电压等于或高于阈值电压VREF时，流经下桥臂开关元件40的电流是过大的短路电流。
阈值电压VREF能够被确定为当短路电流流经配线电感60时生成的感应电压。当短路电流的电流变化率(di/dt)是10kA/μs并且配线电感60的大小是5nH时该感应电压是{(10kA/μs)×5nH}＝50V。例如，当阈值电压VREF是30V时，比较器96在短路电流流经下桥臂开关元件40时输出Hi电平。以此方式，当上桥臂开关元件30遭受短路故障时布置在下桥臂开关元件40侧上的比较器96执行对流经下桥臂开关元件40的短路电流的检测。
尽管已经作为以上示例描述了具有5nH的大小的配线电感60，所需的用于允许检测短路电流的配线电感的大小Lds是以下列方式获取的。当比较器96具有Vdmin的最小检测电压并且在短路时的电流变化率是(di/dt)sc时，所需的用于允许检测短路电流的配线电感的大小Lds是Lds>{Vdmin/(di/dt)sc}。在(di/dt)sc＝10kA/μs并且Vdmin＝阈值电压VREF＝30V的情况下，Lds>{30V/(10kA/μs)}为3nH。在上面描述的示例中，Lds为5nH，从而满足该条件。在另一示例中，在Vdmin＝阈值电压VREF＝10V的情况下，大约1nH的Lds会是足够的。该大小处于在不布置用于检测的附加的罗戈夫斯基线圈的状态下能够被配线电感充分覆盖的范围内。
驱动电路94对来自外部控制电路(未示出)的外部栅极信号与比较器96的输出信号的反相信号执行AND(与)操作并将其输入到下桥臂开关元件40的栅极作为下桥臂栅极电压LG。因而，当比较器96的输出信号处于Lo电平时，下桥臂开关元件40响应于外部栅极信号而被驱动。当外部栅极信号处于Hi电平时，下桥臂栅极电压LG达到Hi电平且下桥臂开关元件40进入ON状态。相反，当比较器96的输出信号处于Hi电平时，下桥臂栅极电压LG无关于外部栅极信号而达到Lo电平，并且下桥臂开关元件40被关断。以此方式，检测到过大的短路电流流经下桥臂开关元件40并且快速关断并保护了下桥臂开关元件40。
图3B示出了在检测下桥臂开关元件40的短路故障时的电路配置。图3B在基本配置上与图3A相同，并且在对每个元件增加了其附图标记的状态下示出了相应的元件。在此，输入到下桥臂开关元件40的驱动电路91的外部栅极信号处于Lo电平，而输入到上桥臂开关元件30的驱动电路95的外部栅极信号处于Hi电平。
对应于上桥臂开关元件30的发射极侧配线的中间母线22的部分的配线电感50用于短路故障检测。短路电流检测单元93是布置在上桥臂开关元件30侧上的上桥臂短路电流检测单元并且当下桥臂开关元件40遭受短路故障时检测流经上桥臂开关元件30的短路电流。配线电感50的第一检测点54经由给定用于短路电流检测的阈值电压VREF的基准电压源连接到比较器97的正侧输入端子，比较器97的正侧输入端子是短路电流检测单元93中的比较器97的两个输入端子之一。此外，配线电感50的发射极检测点52连接到负侧输入端子。
在该配置中，当下桥臂开关元件40遭受短路时在配线电感50中生成感应电压并且过大的电流流经上桥臂开关元件30。当比较器97的输出信号达到Hi电平随此被检测到时，上桥臂栅极电压UG无关于外部栅极信号而达到Lo电平，并且上桥臂开关元件30被关断。以此方式，检测到流经上桥臂开关元件30的过大的短路电流并且快速关断并保护了上桥臂开关元件30。
由于图3A和图3B在配置效果方面彼此相同，将更详细地参照图4A和图4B以及作为代表性图的图3A描述该配置效果。图4A是示出在上桥臂开关元件30没有短路故障的状态下逆变器桥臂10的正常操作时每个元件的状态的时序图。图4B示出在上桥臂开关元件30的短路故障时每个元件的状态的时序图。在每幅图中，水平轴表示时间而垂直轴表示每个元件的电平状态或电压状态。在垂直轴上的最上的段表示输入到驱动电路90的上桥臂外部栅极信号的电平状态，并且从上段侧起的第二段表示输入到驱动电路94的下桥臂外部栅极信号的电平状态。从上段侧起的第三段表示上桥臂栅极电压UG的电平状态，并且从上段侧起的第四段表示下桥臂栅极电压LG的电平状态。从上段侧起的第五段表示在下桥臂开关元件40的集电极和发射极之间的电压VCE的电压电平，并且最下段表示比较器96的输出电平。
在图4A中，逆变器桥臂10处于正常操作下，时间t1至时间t7是当上桥臂外部栅极信号处于Lo电平时的时间段并且时间t2至时间t6是当下桥臂外部栅极信号处于Hi电平时的时间段。时间t1至时间t2的时间段以及时间t6至时间t7的时间段是死区时间。上桥臂栅极电压UG从上桥臂外部栅极信号延迟了对应于驱动电路90的电路处理延迟时间而变化。在图4A中，在电路处理延迟时间可忽略的状态下，上桥臂栅极电压UG从时间t1到时间t7处于Lo电平，并且在该时间段中上桥臂开关元件30被关断。同样地，下桥臂栅极电压LG从下桥臂外部栅极信号延迟了对应于驱动电路94的电路处理延迟时间而变化。在图4A中，在电路处理延迟时间可忽略的状态下，下桥臂栅极电压LG从时间t2到时间t6处于Hi电平，并且在该时间段中下桥臂开关元件40被接通。
在下桥臂开关元件40的集电极与发射极之间的电压VCE是当下桥臂开关元件40被接通时导通电阻乘以导通电流所得到的电压。在导通电流的电流变化率的示例中，(di/dt)大约10A/μs。当配线电感60具有5nH的大小时，在配线电感60中生成的感应电压为{(10A/μs)×5nH}＝50mV。在集电极与发射极之间的电压VCE通过该感应电压而升高。
比较器96比较该感应电压与阈值电压VREF。感应电压从时间t2到时间t6是50mV。在比较器96的阈值电压VREF处于30V的状态下比较器96具有Lo电平输出，并且判定短路电流不流经下桥臂开关元件40。
图4B是在时间t3处上桥臂开关元件30中发生短路故障时的时序图。水平轴的内容和垂直轴的内容与图4A中的相同。在此，逆变器桥臂10处于正常操作下，在集电极与发射极之间的电压VCE是50mV，并且直到时间t3的前一刻，比较器96的输出处于Lo电平。一旦在时间t3处在上桥臂开关元件30中发生短路故障，感应电压与流经下桥臂开关元件40的短路电流几乎同时在配线电感60中生成。当短路电流的电流变化率(di/dt)是10kA/μs时感应电压是{(10kA/μs)×5nH}＝50V并且配线电感60的大小是5nH。
当如在图4A中将感应电压与阈值电压VREF彼此比较时，感应电压在时间t3处是50V。在比较器96的阈值电压VREF处于30V的状态下比较器96具有Hi电平输出，并且判定短路电流流经下桥臂开关元件40。
比较器96具有电路处理延迟时间，从而Hi电平在时间t4输出到驱动电路94。驱动电路94也具有电路处理延迟时间，从而下桥臂开关元件40在时间t5处被强制关断。当下桥臂外部栅极信号被关断时，时间t5是早于时间t6的时刻，从而下桥臂开关元件40免受短路电流损害。继时间t6之后的时间段与图4A中示出的时间段相同。如上所述，配线电感60具有高电流变化率检测能力，从而能够以快速方式执行短路电流检测。
图5A和图5B是使用集电极侧配线的配线电感的附加有短路电流检测单元的电力变换装置10c、10d的电路配置图。图5A是在检测上桥臂开关元件30的短路故障时的电路配置图，而图5B是在检测下桥臂开关元件40的短路故障时的电路配置图。如参照图3A和图3B所述的那样，是上桥臂开关元件30遭受短路故障还是下桥臂开关元件40遭受短路故障是未知的，从而用于短路故障检测的两种配置的特征将在下文分别描述。
在图5A中的电力变换装置10c检测上桥臂开关元件30的短路故障，电力变换装置10c与在图3A中示出的电力变换装置10a不同。在此，在中间母线22的对应于下桥臂开关元件40的集电极侧配线的部分的配线电感80用于短路电流检测。配线电感80的发射极检测点84经由给定用于短路电流检测的阈值电压VREF的基准电压源连接到比较器112的正侧输入端子，该正侧输入端子是包括在短路电流检测单元110中的用于短路电流检测的比较器112的两个输入端子之一。配线电感80的第二检测点82连接到负侧输入端子。二极管106是将在高电压下操作的逆变器桥臂10和在低电压下操作的短路电流检测单元110在电压上彼此分离的整流元件，并具有连接到中间母线22的阴极和连接到短路电流检测单元110的CL端子的阳极。CL端子是比较器112的负侧输入端子。其他元件与在图3A中的相同。
当使用参照图3A描述的在发射极侧配线中的配线电感60时，与在配线电感60中生成的感应电压相等的电压差在逆变器桥臂10的接地侧基准电压和短路电流检测单元92的接地侧基准电压之间生成。然而，通过使用在集电极侧配线中的配线电感80，逆变器桥臂10的接地侧基准电压和短路电流检测单元110的接地侧基准电压能够变得彼此相等并且能够提升短路故障检测精度。此外，在二极管106被提前布置以为了例如监测下桥臂开关元件40的集电极电势的目的的情况下，不要求来自第二检测点82的特殊的引出线。特别地，由于当电力变换装置配置为包括多个逆变器桥臂时，来自第二检测点82的引出线在数量上是多个，因此如果不需要这些引出线则会对在整体上降低电力变换装置的大小和成本作出贡献。
图5B是在检测下桥臂开关元件40的短路故障时的电路配置图。图5B在基本配置上与图5A相同，并且在对每个元件增加了其附图标记的状态下示出了相应的元件。检测下桥臂开关元件40的短路故障的电力变换装置10d与图3B中示出的电力变换装置10b不同。在此，上桥臂开关元件30的集电极侧配线14的配线电感70用于短路电流检测。配线电感70的发射极检测点74经由给定用于短路电流检测的阈值电压VREF的基准电压源连接到比较器113的正侧输入端子，比较器113的正侧输入端子是包括在短路电流检测单元111中的用于短路电流检测的比较器113的两个输入端子之一。配线电感70的第二检测点72连接到负侧输入端子。二极管107是将在高电压下操作的逆变器桥臂10和在低电压下操作的短路电流检测单元111在电压上彼此分离的整流元件，并具有连接到集电极侧配线14的阴极和连接到短路电流检测单元111的CU端子的阳极。CU端子是比较器113的负侧输入端子。其他元件与在图3B中的相同。
替代于参照图3B描述的在发射极侧配线中的配线电感50，在集电极侧配线中使用配线电感70的优势与参照图5A描述的内容相同。
由于图5A和图5B在配置效果方面彼此相同，将更详细地参照图6A和图6B以及作为代表性图的图5A描述该配置效果。图6A和图6B是对应于图4A和图4B的图。水平轴的内容和垂直轴的内容与在图4A和图4B中的相同。
在图6A中，逆变器桥臂10处于正常操作下，在下桥臂开关元件40的集电极与发射极之间的电压VCE是当下桥臂开关元件40被接通时导通电阻乘以导通电流所得到的电压。当导通电流具有(di/dt)＝10A/μs的电流变化率并且配线电感80具有5nH的大小时，在配线电感80中生成的感应电压为{(10A/μs)×5nH}＝50mV。在集电极与发射极之间的电压VCE通过该感应电压升高。
比较器112比较该感应电压与阈值电压VREF。感应电压从时间t2到时间t6是50mV。在比较器112的阈值电压VREF处于30V的状态下比较器112具有Lo电平输出，并且判定短路电流不流经下桥臂开关元件40。
在图6B中，其示出在时间t3处上桥臂开关元件30中发生短路故障时，逆变器桥臂10处于正常操作下，在集电极与发射极之间的电压VCE是50mV，并且直到时间t3的前一刻，比较器112的输出处于Lo电平。一旦在时间t3处在上桥臂开关元件30中发生短路故障，感应电压与流经下桥臂开关元件40的短路电流几乎同时在配线电感80中生成。当短路电流的电流变化率(di/dt)是10kA/μs时感应电压是{(10kA/μs)×5nH}＝50V并且配线电感80的大小是5nH。
当将感应电压与阈值电压VREF彼此比较时，感应电压在时间t3处是50V。在比较器112的阈值电压VREF处于30V的状态下，比较器112具有Hi电平输出，并且判定短路电流流经下桥臂开关元件40。
如上所述，在集电极侧配线中的配线电感80的使用导致与图4A和图4B中的时序图类似的时序图和与通过使用在发射极侧配线中的配线电感60所获得的效果类似的效果。
在上面的描述中，比较器112、113比较在配线电感80、70中生成的感应电压与阈值电压VREF。在图5A和图5B中示出的电路配置图中，比较器112、113检测在开关元件的集电极和发射极之间的电压。取决于在外部栅极信号与给予开关元件的栅极信号之间的时间延迟的程度，比较器112、113可能错误地检测短路电流并且短路电流检测单元可能发生故障。
图7是示出关于比较器112的错误检测的可能性的时序图。在图7中，水平轴表示时间而垂直轴表示每个元件的电平状态或电压状态。在垂直轴上的最上的段表示下桥臂外部栅极信号的电平状态。从上段侧起的第二段表示相对于下桥臂开关元件40的下桥臂栅极电压LG的指令信号的电平状态，并且从上段侧起的第三段表示在下桥臂开关元件40中的实际下桥臂栅极电压LG的电平状态。从上段侧起的第四段表示在下桥臂开关元件40的集电极与发射极之间的电压VCE的电压状态，并且最下的段表示比较器112的输出电平。
在图7中，时间t1与在图6A和图6B中的t1相同并且表示当下桥臂外部栅极信号从Lo电平上升到Hi电平时的时间。时间t10是在下桥臂外部栅极信号已经上升到Hi电平的状态下，当指令信号相对于下桥臂开关元件40的下桥臂栅极电压LG开始上升时的时间。时间t2与在图6A和图6B中的t2相同。从时间t1到时间t10的时间是驱动电路94的内部电路处理延迟时间。从时间t10到时间t2的时间是下桥臂开关元件40的栅极电容充电时间。
下桥臂开关元件40的下桥臂栅极电压LG从时间t10的Lo电平开始上升并且响应于栅极电容充电的时间的常数而上升。上升在时间t2处完成。这引起在下桥臂开关元件40的集电极与发射极之间的电压VCE从时间t10开始下降并且下降在时间t2处终止。作为还没有到达时间t2时的时间t12，是当下桥臂栅极电压LG达到下桥臂开关元件40从OFF切换到ON的导通阈值电压时的时间。作为在从时间t12的显著前进之后达到的时间t2，对应于当在下桥臂开关元件40的集电极与发射极之间的电压VCE足够进入饱和状态时的时间。
比较器112检测在第二检测点82与发射极检测点84之间的电压。因而，即使在没有电流流经配线电感80时，当在下桥臂开关元件40的集电极与发射极之间的电压VCE下降至关于感应电压而确定的阈值电压VREF时，直到时间t11之前，也输出Hi电平。该Hi电平输出表示下桥臂开关元件40经历从OFF到ON转变的段并且不表示短路电流检测。取决于从外部栅极信号到给予开关元件的栅极信号的电路处理延迟的程度，比较器112输出Hi电平，而不管有没有短路电流流经下桥臂开关元件40，从而关于短路电流发生错误检测。当在比较器112中发生错误检测时，用于下桥臂开关元件40的驱动电路产生故障。
图8A和图8B是示出防止可能在开关元件从OFF转变到ON时短路电流检测单元发生故障的电力变换装置的电路配置的图。图8A是防止检测上桥臂开关元件30的短路故障的短路电流检测单元120发生故障的电力变换装置10e的电路配置图。图8B是防止检测下桥臂开关元件40的短路故障的短路电流检测单元121发生故障的电力变换装置10f的电路配置图。
关于上桥臂开关元件30的短路故障的检测的图8A与图6A不同之处在于，在图6A中栅极监测电路124布置在短路电流检测单元120中并且屏蔽部126布置在包括在短路电流检测单元120中的驱动电路122中。其他元件与图6A中的相同。
布置在短路电流检测单元120中的栅极监测电路124直接获取下桥臂开关元件40的栅极电压。随后，参照提前确定的栅极导通阈值电压来监测所获取的栅极电压使得无论所获取的栅极电压是否等于或高于导通阈值电压都监测它，随后输出其结果。直接获取意味着替代于获取外部栅极信号而在下桥臂开关元件40中获取实际栅极电压以及获取驱动电路122响应于外部栅极信号而输出的栅极电压指令信号。关于监测结果输出方法，当所获取的栅极电压低于导通阈值电压时输出Hi电平并且当所获取的栅极电压等于或高于导通阈值电压时输出Lo电平。
当来自栅极监测电路124的输出信号处在Hi电平时，通过使用来自比较器112的输出信号和来自栅极监测电路124的输出信号，布置在驱动电路122中的屏蔽部126屏蔽比较器112的输出信号。屏蔽比较器112的输出信号意味着即使在比较器112的输出信号处于Hi电平时电路也通过隐蔽比较器112的输出信号而输出Lo电平。
当使用屏蔽部126时，即使比较器112的输出信号处于Hi电平，比较器112的信号也在驱动电路122中保持Lo电平信号，直到图7中的时间t12为止。因而，防止了短路电流检测单元120发生故障。
关于下桥臂开关元件40的短路故障的检测的图8B在基本配置上与图8A相同，并且在对每个元件增加了其附图标记的状态下示出了相应的元件。在此，栅极监测电路125布置在短路电流检测单元121中并且屏蔽部127布置在包括在短路电流检测单元121中的驱动电路123中。关于栅极监测电路125的内容和关于屏蔽部127的内容与图8A中示出的关于栅极监测电路124的内容和关于屏蔽部126的内容是相似的，从而将省略其详细描述。
由于图8A和图8B在配置效果方面彼此相同，将参照图9A和图9B以及作为代表性图的图8A来描述该配置效果。图9A和9B是对应于图6A和图6B的图。水平轴表示如图6A和图6B中的时间，但是增加了参照图7描述的时间t10和t12。垂直轴表示如图6A和图6B中的每个元件的电压状态的操作电平，但是屏蔽信号的操作电平增加到其最下段。此外，下桥臂开关元件40的实际下桥臂栅极电压LG的波形与在下桥臂开关元件40的集电极与发射极之间的电压VCE的波形对应于参照图7描述的波形。
当逆变器桥臂10处于正常操作下时，如图9A中所示，Hi电平被输出作为比较器112的输出，直到在下桥臂开关元件40的集电极与发射极之间的电压VCE下降到关于感应电压而设置的阈值电压VREF。至于比较器112的这种错误检测，屏蔽信号输出Hi电平，直到时间t12为止。时间t12是当下桥臂开关元件40的栅极电压上升到达到导通阈值电压时的时间。以此方式，当下桥臂开关元件40在逆变器桥臂10的正常操作期间经历从OFF到ON的转变时，防止了短路电流检测单元120发生故障。
同样地，在示出当在时间t3处逆变器桥臂10遭受短路故障时的图9B中，当下桥臂开关元件40在逆变器桥臂10的正常操作期间经历从OFF到ON的转变时，防止了短路电流检测单元120发生故障。随后，在时间t3之后，由于配线电感80如参照图6B所描述的具有高电流变化率检测能力，因此短路故障检测能够以快速方式执行。

Claims (11)

1.一种电力变换装置，其特征在于包括：
开关元件；
集电极侧配线，其连接到所述开关元件的集电极侧；
发射极侧配线，其连接到所述开关元件的发射极侧；
检测电路，其配置为检测当电流流经所述集电极侧配线或所述发射极侧配线时在所述集电极侧配线或所述发射极侧配线中生成的感应电压；以及
比较电路，其配置为将所述感应电压和提前确定的预定阈值电压相互进行比较。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于
所述检测电路配置为在所述发射极侧配线中的在所述开关元件的所述发射极侧上的发射极检测点与所述发射极侧配线中的第一检测点之间检测在所述发射极侧配线中生成的所述感应电压，所述第一检测点在电势上低于所述发射极检测点。
3.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于
所述检测电路配置为在所述集电极侧配线中的在所述开关元件的所述集电极侧上的集电极检测点与所述集电极侧配线中的第二检测点之间检测在所述集电极侧配线中生成的所述感应电压，所述第二检测点在电势上高于所述集电极检测点。
4.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于
所述检测电路配置为在第二检测点与所述开关元件的发射极检测点之间检测在所述集电极侧配线中生成的所述感应电压，所述第二检测点在电势上高于集电极检测点，所述集电极检测点位于集电极侧配线中的所述开关元件的所述集电极侧上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电力变换装置，其特征在于进一步包括：
输出电路，其配置为基于由所述比较电路进行的所述比较的结果来输出预定的信号。
6.根据权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于
所述输出电路配置为当所述感应电压高于所述预定阈值电压时输出所述信号。
7.根据权利要求5或6所述的电力变换装置，其特征在于进一步包括：
栅极监测电路，其配置为监测所述开关元件的栅极电压，
其中当由所述栅极监测电路测量的所述栅极电压达不到所述开关元件的导通阈值电压时，所述信号被屏蔽。
8.根据权利要求1或2所述的电力变换装置，其特征在于进一步包括：
逆变器桥臂，在所述逆变器桥臂中，上桥臂开关元件和下桥臂开关元件在电源和地之间串联连接；以及
上桥臂短路电流检测电路，其配置为基于在所述上桥臂开关元件的所述发射极侧配线中生成的所述感应电压来检测流经所述上桥臂开关元件的短路电流。
9.根据权利要求1或2所述的电力变换装置，其特征在于进一步包括：
逆变器桥臂，在所述逆变器桥臂中，上桥臂开关元件和下桥臂开关元件在电源和地之间串联连接；以及
下桥臂短路电流检测电路，其配置为基于在所述下桥臂开关元件的所述发射极侧配线中生成的所述感应电压来检测流经所述下桥臂开关元件的短路电流。
10.根据权利要求1、3和4中任一项所述的电力变换装置，其特征在于进一步包括：
逆变器桥臂，在所述逆变器桥臂中，上桥臂开关元件和下桥臂开关元件在电源和地之间串联连接；以及
上桥臂短路电流检测电路，其配置为基于在所述上桥臂开关元件的所述集电极侧配线中生成的所述感应电压来检测流经所述上桥臂开关元件的短路电流。
11.根据权利要求1、3和4中任一项所述的电力变换装置，其特征在于进一步包括：
逆变器桥臂，在所述逆变器桥臂中，上桥臂开关元件和下桥臂开关元件在电源和地之间串联连接；以及
下桥臂短路电流检测电路，其配置为基于在所述下桥臂开关元件的所述集电极侧配线中生成的所述感应电压来检测流经所述下桥臂开关元件的短路电流。
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